[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究利用精确的格点QCD输入计算中子-质子质量差，量化了大爆炸核合成（BBN）对同位旋破坏效应的敏感性。结果表明，为匹配观测到的氘和⁴He丰度，上-下夸克质量差分裂（δ）与精细结构常数（α_fs）的联合变化在3σ水平下被限制在1.25%以内，为新标准模型之外的物理提供了严格约束。

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.

研究动机与目标

• 定量评估标准模型基本参数（特别是上-下夸克质量差分裂δ和电磁耦合常数α_fs）的变化如何通过大爆炸核合成（BBN）影响原初轻元素丰度。
• 首次将最先进的格点QCD计算得到的中子-质子质量差结果整合进BBN模拟中，实现严格、模型无关的约束。
• 检验δ和α_fs的变化是否能解决BBN中长期存在的⁷Li丰度难题（即观测到的⁷Li丰度低于理论预测）。
• 建立对新物理情景的严格观测约束，这些情景可能改变早期宇宙中的同位旋破坏效应，例如非对称暗物质模型。

提出的方法

• 利用格点QCD计算精确测定中子-质子质量差（ΔMₙ₋ₚ），并分离出来自δ = ½(m_d − m_u)和α_fs的贡献。
• 修改BBN反应网络代码，独立改变δ和α_fs，同时追踪其对氘（D）、⁴He和⁷Li产额的影响。
• 应用核统计平衡和依赖于ΔMₙ₋ₚ = (m_n − m_p)的弱相互作用速率（n ↔ p），计算作为δ和α_fs函数的轻元素丰度。
• 使用观测到的原初D和⁴He丰度进行联合似然分析，以同时约束δ和α_fs的允许变化。
• 采用3σ置信区间推导δ和α_fs联合变化的上限，确保与观测数据一致。
• 验证在约束区域内δ和α_fs的变化无法解决⁷Li丰度差异问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 氘和⁴He的预测原初丰度对上-下夸克质量差分裂（δ）和精细结构常数（α_fs）的独立变化有多敏感？
• RQ2 在保持与观测到的轻元素丰度一致的前提下，δ和α_fs的变化在多大程度上能同时改变BBN结果？
• RQ3 在基于D和⁴He观测结果导出的约束范围内，δ和α_fs的变化能否解决⁷Li丰度差异问题？
• RQ4 在3σ水平下，保持与BBN观测一致的前提下，δ和α_fs联合变化的最紧观测约束是什么？
• RQ5 格点QCD对中子-质子质量差的输入如何影响BBN对标准模型基本参数敏感性的理解？

主要发现

• 预测的⁴He质量分数几乎完美地跟随中子-质子质量差（ΔMₙ₋ₚ）变化，使其对δ和α_fs的变化极为敏感。
• 保持物理上ΔMₙ₋ₚ不变的δ和α_fs联合变化，对⁴He丰度仅产生可忽略的微小改变。
• 氘丰度对融合速率的变化敏感，而融合速率依赖于α_fs，但对δ的敏感度较弱，从而可实现差异化的约束。
• 对D和⁴He丰度的联合分析表明，当变化相关时，δ和α_fs的允许变化在3σ水平下被限制在1.25%以内。
• 即使在约束区域内，δ和α_fs的变化也无法解决⁷Li难题，因为预测的⁷Li/H仍与观测不一致。
• 格点QCD为同位旋破坏效应提供了严格、基于第一性原理的输入，从而可对涉及质子和中子非对称耦合的新物理模型施加定量约束。