[論文レビュー] Big Bang Nucleosynthesis (in "The Review of Particle Properties" 2004)

Brian D. Fields, S. Sarkar|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2004

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 2,217

ひとこと要約

本論文はビッグバン核合成（BBN）のD, 3He, 4He, 7Liの予測をレビューし、それらを観測と比較して重子子‐光子比とバリオン密度を制約し、標準モデルを超える物理とCMBへの影響を論じる。特定のη範囲内で標準BBNの一致を強調し、それを用いて宇宙論と新物理を検証する。

ABSTRACT

A critical review is given of the current status of cosmological nucleosynthesis. In the framework of the standard model with 3 types of relativistic neutrinos, the baryon-to-photon ratio, η, corresponding to the inferred primordial abundances of helium-4 and lithium-7 is presently ~2 σbelow the value implied by the abundance of deuterium. The latter value is also coincident with the independent determination of ηfrom WMAP observations of CMB anisotropy. However taking systematic uncertainties in the abundance estimates into account, there is overall concordance in the range η= (3.4 - 6.9) x 10^{-10} @ 95% c.l. corresponding to a cosmological baryon density Ω_B h^2 = 0.012 - 0.025. If the above discrepancy is due to a neutrino chemical potential, then upto 7.1 effective neutrino species are allowed by nucleosynthesis. Other constraints on new physics are briefly discussed.

研究の動機と目的

• BBNによる軽元素の存在量予測が、η（重子–光子比）をどのように制約するかを評価する。
• BBN予測と観測された原始的な存在量（D, 3He, 4He, 7Li）との一致を評価する。
• BBN時のバリオン密度ΩBと新物理の存在（例：追加ニュートリノ種）への含意を探る。
• BBNで導かれたηをCMBの測定と比較して、時代を超えた標準宇宙論を検証する。

提案手法

• Tfr ≃ 1 MeVでのn/p比のフリーズアウトと、それが弱・強・電磁・重力相互作用に依存する様子を説明する。
• η = nB/nγを用いて反応速度を正規化し、Wagonerコードを用いて軽元素の存在量（例：D/H, 4He質量分率Yp, 7Li/H）を予測する。
• 4He予測に放射補正、非平衡ニュートリノ加熱、有限核子質量効果を組み込む。
• 更新された核反応断面と中性子寿命τn = 885.7 ± 0.8 sを考慮して、η10の関数として予測される存在量をマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 D, 3He, 4He, 7Liの観測された原始的存在量を同時に適合させるηの範囲はどこか？
• RQ2 BBNから推定されるバリオン密度は、CMBの測定や他の宇宙論的探索とどのように比較されるか？
• RQ3 軽元素の存在量はBBN時の相対論的種の数（Nν）および標準模型を超える物理への制約について何を示しているか？
• RQ4 観測の系統的不確実性（特に4HeとD）は、BBNと標準宇宙論の一致にどの程度影響するか？

主な発見

• D, 3He, 4He, 7LiのBBN予測はη10 ≃ 3.4–6.9（95%信頼区間）内で観測と概ね一致する。
• 推定されるバリオン密度は、η10が一致範囲内で0.012 ≤ ΩBh2 ≤ 0.025（95%信頼区間）である。
• 原始的4He abundanceはYp ≈ 0.238 ± 0.002(stat) ± 0.005(sys)であり、系統的不確実性の範囲内で複数の解析と整合している。
• WMAP初年度データから得られたηCMBは、標準的枠組みのBBNと一致し、ηがCMBで決定される場合には0パラメータBBNを支持する。
• BBNは追加の相対論的種（Nν）に強い制約を課し、適合はしばしNν ≈ 3に近いが、特定の仮定の下で範囲を認める（例：1.7 ≤ η10 ≤ 4.3 and 1.4 ≤ Nν ≤ 4.9）。CMB事前分布を用いるとより厳しい制限が生じる。
• BBNの制約は新しい物理シナリオ（例：ステレオニュートリノ、非標準的崩壊、追加次元）にも及び、核合成の間の膨張率とエンタルピーの変化を制限する。