Скрывается ли решение проблемы лития в реликтовом излучени?
Is a solution for the lithium problem lurking in the CMB
Аксионы могли бы решить проблему лития
Более десяти лет, как ученые узнали, что теория, используемая для объяснения происхождения легких элементов, завышает общую сумму лития-7 во Вселенной. Теперь физики из США считают, что ответ на эту так называемую проблему лития может дать гипотетическая частица известная, как аксион, - хотя и не все в этом уверены.
Теория эта называется нуклеосинтез Большого Взрыва и описывает начальную стадию эволюции Вселенной, когда при температуре в несколько тысяч градусов, протоны и нейтроны начали собираться в атомные ядра и формировать первые легкие элементы: дейтерий, наряду с изотопами гелия и лития. Как только температура упала, нуклеосинтез подошел к концу, и электроны стали присоединяться к ядрам в течение периода, называемого рекомбинацией. В это время, фотоны перестали рассеиваться заряженными частицами и Вселенная стала прозрачной.
Космологи знают это, потому что они могут обнаружить реликтовое излучение (CMB), которое и является тем излучением Вселенной, температура которой достигла момента последнего рассеяния фотонов. Из флуктуаций реликтового излучения космологи могут вычислить отношение барионов к фотонам. Барионы включают протоны и нейтроны, которые составляют обычное вещество. Это и есть барион-фотонное отношение, которое предсказывает распространенность первых легких элементов. Но для литий-7, предсказание оказывается примерно в три раза выше, чем наблюдаемое количество.
Что случилось с литием?
Было выдвинуто несколько теорий, чтобы объяснить эту недостачу лития, но ни одна из них не завоевала широкого признания. Теперь физики (из области элементарных частиц) Пьер Сикиви (Pierre Sikivie) и его коллеги из Университета Флориды в Гайнесвилле полагают, что у них есть простое решение. «Приятно радует в нашем предложении то, что мы не предлагаем что-то новое», говорит Пьер Сикиви. «Мы просто берем аксион, который уже давно обсуждается, и указываем на некоторые его свойства, не отмеченные до сих пор».
Аксионы были впервые предложены в конце 1970-х, чтобы решить загадку в физике элементарных частиц известной как проблема сильного CP-нарушения, хотя совсем недавно они были предложены в качестве кандидатов на темную материю, которая является загадочной субстанцией мыслимой как составляющая почти четверти энергии/массы Вселенной. Если аксионы существуют, то они были бы очень легкие и очень слабо взаимодействующие с веществом, - свойства, которые делают их трудными для обнаружения. Действительно, ни один эксперимент на Земле пока не обнаружил никаких свидетельств существования аксионов.
Пьер Сикиви и коллеги указывают, что аксионы могут образовывать Бозе-Эйнштейновский конденсат (БЭК). Такие конденсаты содержат частицы, которые все упали в их самое низкое энергетическое состояние, и наиболее известные, возникают в газах низкой плотности при температурах, близких к абсолютному нулю. Но так как критическая температура перехода к БЭК зависит от плотности, говорят исследователи из Флориды, частицы могут образовывать БЭК и при более высокой температуре, пока они еще имеют достаточную плотность. Даже в изначальном пекле Большого взрыва, аксионы легко оказались бы в достаточно плотном состоянии, чтобы сформировать БЭК.
Передача тепла
Аксионный конденсат имел бы заметное влияние на нуклеосинтез Большого взрыва. Летающие фотоны сделали бы волны в нем, передающие теплоту и, в конечном счете, истощая количество фотонов. Это значит, что барион-фотонное отношение увеличится на момент рекомбинации, давая космологам сегодня ложно высокое количество лития, который должен был быть создан.
По крайней мере, это то, что Пьер Сикиви и его коллеги думают - другие не так уверены в этом. Кенет Нолет (Kenneth Nollett) из Аргоннской национальной лаборатории в США указывает, что, в борьбе с проблемой лития теория группы исследователей из Флориды переоценивает количество дейтерия. Более того, она требует, чтобы эффективное число нейтрино - важная величина в космологии ? увеличилось в сравнении с тем, что было рассчитано по реликтовому излучению. В то время как наблюдения обычно предлагают количество нейтрино между 3 и 4, Пьер Сикиви и его коллеги ожидают, что оно будет примерно 6.8.
«Я думаю, что важный практический результат для меня в том, что разрабатывается множество возможных объяснений проблемы лития, но я скептически отношусь к предложению [группы из Флориды]», говорит Кеннет Нолет.
Пьер Сикиви допускает завышение дейтерия и нейтрино, что является потенциальной проблемой для теории. Тем не менее, он ожидает результатов от космической обсерватории «Планк», европейского космического агентства, которая проведет наиболее точное измерение эффективного числа нейтрино в следующем году. «Время покажет», говорит он.
Исследование опубликовано в журнале
Physical Review Letters
.
Об авторе
:
Джон Картрайт (Jon Cartwright), независимый журналист, Бристоль, Великобритания.