[論文レビュー] Quantifying the sensitivity of Big Bang Nucleosynthesis to isospin breaking with input from lattice QCD

M. Heffernan, Projjwal Banerjee+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 82被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、陽子・中性子の質量差に高精度な格子QCD入力を用いて、ビッグバン核合成（BBN）における等スピン破れ効果への感受性を定量的に評価した。観測されたDおよび⁴Heの同位体比に一致させるために、アップ・ダウンクォーク質量差（δ）と微細構造定数（α_fs）の同時変動は3σで1.25%未塔に制限され、標準模型を越える物理現象に対するきびしい制約が得られた。

ABSTRACT

We perform the first quantitative study of the sensitivity of Big Bang Nucleosynthesis to variations in isospin breaking with precise input from lattice QCD calculations. The predicted light nuclear abundances are most sensitive to the neutron-proton mass splitting as both the initial relative abundance of neutrons to protons and the $n ightleftharpoons p$ weak reaction rates are very sensitive to this quantity. Lattice QCD has been used to determine this mass splitting to greater than 5-sigma, including contributions from both the down-quark up-quark mass splitting, $2δ= m_d-m_u$ and from electromagnetic coupling of the quarks to the photons with a strength governed by the fine structure constant, $α_{fs}$. At leading order in isospin breaking, the contribution of $δ$ and $α_{fs}$ to $M_n-M_p$ and the nuclear reaction rates can be varied independently. We use this knowledge and input from lattice QCD to quantitatively study variations of the predicted light nuclear abundances as $δ$ and $α_{fs}$ are varied. The change in the D and ${}^4$He abundances individually allow for potentially large simultaneous variations in $δ$ and $α_{fs}$ while maintaining consistency with the observed abundances, however the combined comparison restricts variations in these sources of isospin breaking to less than $\lesssim1.25\%$ at the 3-sigma confidence level. This sensitivity can be used to place tight constraints on prospective beyond the Standard Model theories that would modify these isospin breaking effects in the primordial Universe.

研究の動機と目的

• 陽子・中性子の質量差（δ）と電磁相互作用の結合定数（α_fs）といった、標準模型の基本的パラメータの変動がビッグバン核合成（BBN）を通じて初期軽元素の同位体比に与える影響を定量的に評価すること。
• 初の試みとして、陽子・中性子の質量差を高精度で計算した最新の格子QCD計算結果をBBNシミュレーションに統合し、モデルに依存しないきびしい制約を可能にすること。
• δおよびα_fsの変動が、長年の7Liパラドックス（観測された7Liの同位体比が理論予測より低い）を解消できるかどうかを検証すること。
• 初期宇宙における等スピン破れ効果を変化させる可能性のある新物理のシナリオ（例：非対称なダークマター相互作用）に対して、観測的制約を確立すること。

提案手法

• 高精度な格子QCD計算を用いて、中性子・陽子の質量差（ΔMₙ₋ₚ）を、δ = ½(m_d − m_u)およびα_fsに起因する寄与に分離して決定した。
• BBN反応ネットワークコードを改変し、δおよびα_fsを独立に変化させながら、重水素（D）、⁴He、および⁷Liの生成率に与える影響を追跡した。
• 核統計平衡および弱相互作用レート（n ↔ p）を、ΔMₙ₋ₚ = (m_n − m_p) に依存する形で計算し、δおよびα_fsの関数として軽元素の同位体比を算出した。
• 観測された初期のDおよび⁴Heの同位体比を用いて、δおよびα_fsの同時変動を統合的に制約するための尤度関数解析を実施した。
• 観測データと整合するように3σ信頼区間を用いて、δおよびα_fsの組み合わせ的変動の上限を導出した。
• 制約領域内でのδおよびα_fsの変動が、7Li同位体比の不一致を解消しないことを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重水素および⁴Heの予測される初期宇宙同位体比は、アップ・ダウンクォーク質量差（δ）と微細構造定数（α_fs）を独立に変動させた場合に、どの程度感受性を示すか？
• RQ2 δおよびα_fsの変動を同時に変化させた場合、観測された軽元素同位体比と整合する範囲で、BBNの結果にどの程度の変化をもたらせるか？
• RQ3 Dおよび⁴Heの観測から導かれた制約の範囲内で、δおよびα_fsの変動が7Li同位体比の不一致を解消できるか？
• RQ4 3σ水準でのBBN観測と整合性を保つために、δおよびα_fsの組み合わせ的変動に最もきびしい観測的上限は何か？
• RQ5 陽子・中性子の質量差に関する格子QCDの入力は、標準模型の基本的パラメータに対するBBNの感受性をどのように情報提供するか？

主な発見

• 予測される⁴He質量分率は、中性子・陽子の質量差（ΔMₙ₋ₚ）とほぼ完全に一致し、δおよびα_fsの変動に対して極めて感受性を示す。
• 物理的値ΔMₙ₋ₚを維持するようにδおよびα_fsを同時に変動させた場合、⁴He同位体比への影響は観測不能なほど微小となる。
• 重水素同位体比は、融合反応レートに依存するが、これはα_fsに依存する一方でδには弱い感受性を示すため、差分的な制約が可能となる。
• Dおよび⁴Heの同位体比の統合的解析により、δおよびα_fsの変動が相関する場合、3σ水準で1.25%未塔に制限される。
• 制約領域内でも、δおよびα_fsの変動は7Liパラドックスを解消しない。予測される7Li/H比は観測値と一貫しないまま残る。
• 格子QCDは、陽子・中性子への非対称な結合を含む新物理モデルに対する定量的制約を可能にする、きびしい第一原理の入力である。