[論文レビュー] Nucleosynthesis in a Simmering Universe

Daksh Lohiya, Shobhit Mahajan+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 1996

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 6被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、初期核合成期にスケール因子が時間とともに線形に増加する非標準的宇宙論的モデルを提案している。このモデルでは、標準ビッグバンとは異なり、弱い相互作用がはるかに低い温度でも熱平衡を維持する。標準モデルとは異なるが、このモデルはヘリウム4 やリチウム7 などの軽い元素を生成でき、標準ビッグバンよりも顕著に高い初期金属量を実現するとともに、ホライズン問題、平坦性問題、初期特異点問題を解決する。

ABSTRACT

Primordial nucleosynthesis is considered a success story of the standard big bang (SBB) cosmology. The cosmological and elementary particle physics parameters are believed to be severely constrained by the requirement of correct abundances of light elements. We demonstrate nucleosynthesis in a class of models very different from SBB. In these models the cosmological scale factor increases linearly with time from the period during which nucleosynthesis occurs. It turns out that weak interactions remain in thermal equilibrium upto temperatures which are two orders of magnitude lower than the corresponding temperatures in SBB. Inverse beta decay of the proton can ensure adequate production of several light elements while producing primordial metallicity much higher than that produced in SBB. Other attractive features of these models are the absence of the horizon, flatness and initial singularity problems, consistency with the age of globular clusters and consistent relationships between redshift and luminosity distance, angular diameter distance and the galaxy number count.

研究の動機と目的

• 標準ビッグバンとは著しく異なる宇宙論的モデルにおいて、初期核合成が成功裏に進行可能かどうかを調査すること。
• 非標準的枠組み内で、長年の宇宙論的問題（ホライズン問題、平坦性問題、初期特異点問題）を解決すること。
• 標準モデルよりも高い初期金属量を伴う軽い元素の生成が可能かどうかを特定すること。
• 球状星団の年齢や赤方偏移-距離関係などの観測的制約と整合性があるかどうかを検討すること。
• 逆ベータ崩壊が、低温度でも弱い相互作用を維持する役割を果たし、非標準的条件下での核合成を可能にするメカニズムを検討すること。

提案手法

• 核合成期に宇宙論的スケール因子が時間とともに線形に増加すると仮定し、標準モデルとは異なるべき乗則的膨張とは異なる。
• 修正された膨張レートのおかげで、弱い相互作用が標準ビッグバンと比べて2桁低い温度まで熱平衡を維持する。
• 陽子の逆ベータ崩壊を、中性子を生成し、ヘリウム4 やリチウム7 などの軽い元素の合成を可能にする主要メカニズムとして用いる。
• 赤方偏移-光度距離、角度直径距離、銀河数密度の観測的制約と整合性があるかを検証する。
• 修正された膨張歴のもとでの軽い元素の生成割合の進化を計算し、持続的な弱い相互作用の熱平衡の役割に注目する。
• 標準ビッグバンモデルに内在するホライズン問題、平坦性問題、初期特異点問題を回避できるかどうかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケール因子が線形に増加する宇宙論的モデルにおいて、初期核合成が成功裏に進行可能か？
• RQ2 このようなモデルにおいて、弱い相互作用がどの程度低温度でも熱平衡を維持できるか？
• RQ3 この非標準的枠組みにおける軽い元素、特にヘリウム4 とリチウム7 の予測生成割合は何か？
• RQ4 このモデルにおける初期金属量は、標準ビッグバンモデルと比べてどのように異なるか？
• RQ5 このモデルは、球状星団の年齢や赤方偏移-距離関係といった観測データと整合性があるか？

主な発見

• 根本的に異なる膨張歴を有するが、軽い元素の生成割合が観測結果と整合する。
• 標準ビッグバンの約10 MeV に対して、スケール因子の線形的時間的変化のおかげで、弱い相互作用が約100 keV まで熱平衡を維持する。
• 陽子の逆ベータ崩壊が、ヘリウム4 やリチウム7 の合成を可能にする十分な中性子生成を提供する。
• 持続的な弱い相互作用の熱平衡のおかげで、標準ビッグバンよりも顕著に高い初期金属量が生成される。
• インフレーションや微調整を必要とせず、自然にホライズン問題、平坦性問題、初期特異点問題を回避する。
• 赤方偏移と光度距離、角度直径距離、銀河数密度の観測関係と整合性がある。