Первичный бериллий может рассказать о Большом взрыве

Канадские учёные Джозеф Прадлер (Josef Pradler) и Максим Поспелов, в середине девяностых защитивший кандидатскую диссертацию в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, показали, что экспериментальные данные по первичному бериллию можно использовать для проверки различных моделей «новой физики».

Словом «первичный», поясним, обозначен элемент, появившийся в самом начале эволюции Вселенной.

Отправной точкой ядерной химии называют нуклеосинтез — процесс синтеза ядер элементов тяжелее водорода — при Большом взрыве, продолжавшийся, предположительно, менее 20 минут. На этой стадии сформировались лишь самые лёгкие элементы, а все остальные появились позже. Общепринятая модель нуклеосинтеза основана на физике Стандартной модели, «внедрённой» во Вселенную Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера, и даёт хорошее соответствие экспериментальным данным (оценке распространённости первичных дейтерия и гелия-4).

Литий, бериллий и бор к тяжёлым элементам не отнесёшь, однако вклад первичного нуклеосинтеза в их формирование минимален; основным источником Li, Be и B считаются космические лучи, воздействующие на межзвёздную среду. Только один стабильный первичный изотоп, литий-7, был синтезирован в таких количествах, которые можно оценить экспериментально.

Здесь стоит рассказать о том, как древние литий, бериллий и бор регистрируются на практике. Все три элемента обнаруживают в фотосфере звёзд по резонансным линиям в спектре, причём для наблюдений выбирают светила с низкой металличностью (относительной концентрацией элементов тяжелее гелия), сформировавшиеся из межзвёздного газа, состав которого близок к «первоначальному». При понижении металличности относительное содержание лития-7 (7Li/H), разумеется, падает, но на определённом этапе стабилизируется, выходя на плато. Значение 7Li/H = (1–2,5)•10–10, ниже которого распространённость лития-7 уже не опускается, и принимают за первичное.

Многие модели «новой физики», нуждающиеся в экспериментальной проверке, модифицируют традиционную схему первичного нуклеосинтеза. В таких теориях (скажем, в некоторых вариантах суперсимметричных расширений Стандартной модели) предсказываются метастабильные долгоживущие частицы, которые могут распадаться во время или после нуклеосинтеза, выделяя значительное количество нетепловой энергии. Этот процесс, как было показано ранее, может инициировать синтез гораздо бóльших объёмов лития-6, чем традиционный нуклеосинтез.

Литий-6, однако, не слишком удобен для наблюдения, а надёжно оценить его содержание трудно. Хотя в 2006 году и была опубликована информация о том, что отношение 6Li/7Li имеет своё плато на уровне 0,05, часть астрофизиков не считает это значение истинным. Кроме того, звёздный 6Li сам по себе достаточно «хрупок» и легко уничтожается.

Авторы предлагают использовать вместо лития-6 единственный стабильный изотоп бериллия 9Ве. Схема его появления в результате распада или аннигиляции упомянутых выше новых частиц имеет примерно такой вид:

энергия → 3H, 3He → 6He, 6Li → 9Be.
Рассчитав вероятность образования 9Be, физики пришли к выводу о том, что объём первичного бериллия-9, синтезируемого в моделях, отличных от общепринятой, попадает в доступную для наблюдений область.

Экспериментальные данные по бериллию-9. По горизонтальной оси отложена металличность, а квадратами показаны случаи обнаружения 9Be в фотосфере звёзд. Треугольником отмечено значение для звезды BD+44°493. Величина А(Ве) рассчитывается по формуле А(Ве) = lg(9Be/Н) + 12. (Иллюстрация из журнала Physical Review Letters.)

Тестировать предсказания теоретиков на примере 9Ве проще, чем в случае 6Li. Никаких признаков появления плато экспериментаторы до сих пор не отметили; относительная распространённость бериллия-9 исправно уменьшается с падением металличности. При этом астрономы уже успели добраться до сверхмалых значений: в недавней работе, посвящённой звезде BD+44°493, максимально возможная величина 9Be/Н установлена на уровне 10–14 (обнаружить бериллий телескоп «Субару» так и не сумел).

«Нуклеосинтез может стать очень удобным полигоном для проверки «новой физики», — утверждает г-н Прадлер. — Каждую модель нужно тестировать на соответствие данным наблюдений: чем больше энергии даёт распад предлагаемых новых частиц, тем больше должно быть бериллия-9, а его должен видеть телескоп. Изотоп, таким образом, будет играть роль калориметра».

Полная версия отчёта опубликована в журнале Physical Review Letters; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.

Подготовлено по материалам PhysOrg.

22 Апреля 2011, 4:11    Den    3481    0

Нет комментариев.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.