תפקידה של Beta Decay בתצורת האלמנטים במהלך המפץ הגדול

Beta Decay ו-Big Bang Nucleosynthesis: How Radioactive Processes Forged the First Elements

לפני כ-13.8 מיליארד שנים, היקום החל במצב של חום ודחיסות בלתי נתפסים.בכמה דקות הראשונות של ההיסטוריה הקוסמית, המרק הראשוני של קווארקים, גלונים, ו ⁇ קריר מספיק כדי לאפשר פרוטונים ונווטונים לצורה.

מאמר זה חוקר את הפיזיקה של בטא דעיכה, התזמון המדויק שלו במהלך עשרים הדקות הראשונות של היקום, וכיצד הוא קבע את השפע הסופי של מימן, הליום, ליתיום, ואת עקבותיה של איזוטופים.הבנת תהליכים אלה חיונית עבור קוסמולוגים המשתמשים בשפע ראשוני כמבחן של המודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה וכחלון אל התנאים של היקום הקדום.

הפיזיקה של Beta Decay: A Primer

(א) ,ההתחילה של כוח גרעיני חלש (לאפאפא או גמא דעך), בטאואט משנה את זהות הגרעין על ידי שינוי מספר הפרוטונים או הניטריונים שלה, ישנם שני סוגים עיקריים רלוונטיים ליקום הקדום: FLT:0beta-minus ( ⁇ ) לנקב 1 ו-FLT2LT2ta-plus (n) לתוך גרעין של β-fton (nbt)

בהקשר של היקום הקדום, ערוצי הדבורה החשובים ביותר כרוכים בערפיליות חופשיות ובאיזוטופים לא יציבים קלים.ננות חופשיות אינן יציבות לחלוטין מחוץ לגרעין, עם חיים ממוצעים של כ- 880 שניות (כ-15 דקות) הן מתקלקלות באמצעות התגובה:

⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

דעיכה זו מציבה שעון יסודי עבור כמה זמן נויטרונים נשארים זמינים עבור היתוך גרעיני לפני שהם הופכים פרוטונים. בינתיים, איזוטופים לא יציבים כגון tritium (3H) ו beryllium 7Be) גם עוברים בטאוואות, ומייצרים helium 3 יציב ו- Lithium 7, בהתאמה.ללא דעיכים אלה, האלמנט הראשוני יהיה שונה מאוד.

Weak אינטראקציה שיעורי בפלמה חמה

בטמפרטורות מעל 10 מיליארד Kelvin (במספר 1 מ"א ביחידות אנרגיה), האינטראקציות החלשות שנמנעו גם מניטרון ופרוטונים היו מהירות מספיק כדי לשמור על איזון תרמי.

⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

ככל שהיקום התרחב והקרר, התגובות האלה האטה, והיחס של ה-Nutron-to-proton "froze Out" בערך שנקבע על ידי ההבדל ההמוני בין ה-Nutron לבין הפרוטון (כ-1.29 MeV) לבין הטמפרטורה הקפאה (0.8 MeV) בהקפאה-out, היחס היה בערך 1 נויטרונים לכל פרוטונים (np/n) ו- 0.22 היו פחות מקצרים נוספים לפני השבר השבר השבר השבר השבר הקודם.

ציר הזמן של Big Bang Nucleosynthesis

הבנה כאשר וכיצד בעיות בטא-דעון דורש ציר זמן של 20 הדקות הראשונות לאחר המפץ הגדול.תקופת BBN כולה מחולקת לשלבים נפרדים, כל אחד נשלט על ידי הטמפרטורה והדחיסות של היקום המתפשט.

ה"שניים הראשונים": Quarks to Nucleons

לאחר שהאינפלציה הסתיימה, היקום היה פלזמה של קווארק-גלון. בשעה 10-6 שניות לאחר המפץ הגדול, קווארקים בשילוב פרוטונים ונוטריונים.כפי שהטמפרטורה ירדה מתחת ל-1GV (1013 K), הכוח החזק הפך דומיננטי, וטרונים (neutrons) נוצרו במספרים שווים.

מתוך שניות עד שלוש דקות: להקפיא את ההונאה של ניוטרון

ב t ⁇ 1 שנייה, היקום היה בטמפרטורה של בערך 10 מ"ו. האינטראקציות החלשות ששמרו על נייטונים ופרוטונים בשיווי משקל עדיין היו מהירות. בעוד הטמפרטורה ירדה מתחת ל 0.8 MeV (כ 1010 K) ב t ⁇ 1-2 שניות, התגובות האלה איטיות כמעט ללא הפסקה (npron) רק לאחר מכן ירד קצב האינטראקציה החלשה של האבל, ו- n / pf "נ"במרחק" ב- 0.2 שניות) עד מחצית מהזמן הראשון של nutton) היה יכול להיות איטי יותר מ- 0.

Deuterium Bottleneck ו-Inset of Nucleosynthesis

בטמפרטורות מעל 0.1 MeV, כל חומרת (2H) שנוצר על ידי התגובה p + n / n 2H + ⁇ היה מיד photodisrated על ידי פוטונים אנרגיה בשפע.זה המפורסם "צוואר בקבוק אלומיניום" לאחר הטמפרטורה ירד מתחת ל 0.1 MeV, photons איבד מספיק אנרגיה כי deuterium יכול לשרוד.

Beta Decay Channels in BBN: Specific Isotopes

בעוד שדעון חופשי בטאוואות מטיל את השבריר הניטרורון הראשוני, כמה איזוטופים לא יציבים מרכזיים המיוצרים במהלך ה cascade עוברים בטאדעון, שינוי השפע הסופי של גרעינים יציבים.

ניוטרון Decay and the Helium-4 Abundance

(ב) יחס n/p כאשר deuterium נוצר נקבע על ידי שילוב של הקפאה ושפל של נויטרונים חינם.התוצאה הסופית היא ששבר המסה של הליום-4 (YIRFLT:0pphcioFLT:1) תלוי בחזקה ב-YLT2Factron, חיי נויטרונים ארוכים יותר, אשר שרדו כדי להשתלב ב-YLT2, 0002, 000) גלקסיות מתכתיות גדולות של 1.

Tritium (3H) Decay to Helium 3

Tritium, איזוטופ רדיואקטיבי של מימן עם נויטרונים אחד ושני פרוטונים, מיוצר ב BBN באמצעות תגובות כמו 2H + n , 3H ו 3He + n + n + n 3H. Tritium עובר ⁇ עם מחצית חיים של כ 12.3 שנים:

3H + e- + ⁇ FLT:0

ביקום המוקדם, טריטוניום הופק בכמויות קטנות (כ-10-5 יחסית למימן) הוא בסופו של דבר מתקלקל לחלוטין ל- Helium 3.זה תורם לשפע הראשוני של 3 הוא, שניתן למדוד ברוח השמש ובענני גז פריזטין.יחס הנצפית של 3 הוא ל-4 הוא בערך 1.1 × 10-4,4, עקבי עם מודלים BBN הכוללים את ערוץ הטריום.

Beryllium 7 ו- Lithium Problem

אחת החידות המעניינות ביותר בקוסמולוגיה היא החוסר בין השפע הצפוי והצפוי של ליתיום 7.על פי תקן BBN, הייצור של 7Li מתרחש בעיקר באמצעות לכידת אלקטרון של beryllium-7 (7Be) לאחר nucleosynthesis מסתיים. 7Be מופק על ידי התגובה 4He 3 + 3 , 7Be + אטומים מאוחר יותר, 7Be אטומים (להיות לכידת) של אלקטרונים (להפוך ל-ta) להיות אטומים (להפוך ל- 7ton) של לכידת: 7K) להיות אטומים) של לכידת: 7K.

7Be + e- 7Li + ⁇ FLT:0

[השפל] יש מחצית חיים של כ-53 ימים.ב- BBN סטנדרטי, כמעט כל 7Li הוא מיוצר דרך נתיב זה.עם זאת, תצפיות על כוכבים ישנים, מתכת-פוורים באופן עקבי להראות שפע של 7Li על גורם של 3 נמוך יותר מאשר החיזוי BBN. זה "בעיית ליתיום" מרמז על פיזיקה גרעינית לא ידועה (אולי התחדשות ב- 7Beg), ניתוק חלקית של תהליכים חדשים או חיזוי של דיסקרטימחדש (DFre) אך ורק אם יש השפעה חלקית על פי תקן 2.

Isotopes: Helium-4 ו- Beyond

כמויות של איזוטופים רדיואקטיביים אחרים מיוצרים, כולל 6He (beta דעכוד ל-6Li עם מחצית חיים של 0.8 שניות) ו-8Li (beta דעיכה ל-8Be, אשר מתפרץ במהירות לשני חלקיקים של אלפא) עם זאת, כי היקום קר כל כך מהר, גרעינים לא יציבים אלה לא נעשו בשפע מספיק כדי להשאיר חותם משמעותי.

משמעות קוסמולוגית של Beta Decay ב BBN

התפקיד של דעיכה בטא משתרע מעבר רק לאפשר היווצרות אלמנט.הוא מספק קשר חיוני בין הפיזיקה הגרעינית לבין המאפיינים בקנה מידה גדול של היקום.

בדיקה של המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי

השפעים החזויים של 2H, 3He, 4He, ו- 7Li מ- BBN תלויים ביחס הברון-ל-תצלום ⁇ , אשר יכול גם להיות נמדד באופן עצמאי מהרקע המיקרוגל הקוסמי (CMB) המדידה של הלוויין של ⁇ מ- CMBISotropies תואם היטב עם תחזיות BBN עבור 2H ו- 4He, מתן תמיכה חזקה עבור מודל CMM הם בעלי משמעות מלאה, אשר יהיה משפיע ישירות על פני השטח.

ניוטרינו פיזיקה ואינטראקציה Weak

(ב) השני, אינטראקציות חלשות (כולל תהליכי בטא-דעון) קבעו גם את הטמפרטורה של הניטרינו דה-קופסלינג (אם היו מינים נוספים של נויטרינו (למשל, ערפיליות סטריליות), הן ישנו את קצב ההתרחבות ואת הטמפרטורה של הקפאה של האינטראקציות החלשות, שינוי יחס n/p ומכאן ההנפקה הנוכחית של BBN על מספר יעיל של נימוסים (N2Frin) אך 0.

השלכות על צורת הכוכבים הראשונים

תערובת מדויקת של אלמנטים המיוצרים על ידי BBN - במיוחד כמות של deuterium - קבע את היעילות של קירור בעננים הראשונים של גז שהתמוטטו כדי ליצור כוכבים אוכלוסייה III. Deuterium, באמצעות תפקידו במימן מולקולרי (H2), מאפשר גז להתקרר ושבריר.אם בטאדעיכה יצרה יחס שונה של 2H עד 4He, את היקף המסה והתזמון של הכוכבים הראשונים ישתנו.

Probes of Primordial Beta Decay

כיצד אנו יודעים כי בטא-דעון עבד בדיוק כפי שמודל ביקום המוקדם? אסטרונומים ופיזיקאים משתמשים בשילוב של מדידות מעבדה ישירות ותצפיות אסטרונומיות כדי לאמת כל צעד.

מדדי מעבדה של חיי ניוטרון

(השיעור העגומים של נויטרונים חופשיים הוא פרמטר הבטון החשוב ביותר עבור BBN. שתי שיטות עיקריות קיימות: "beam" ניסויים למדוד את ספירת הפרוטון מדלדלעת נויטרונים, נותן חיים שלמים של 888.0 ± 2.0 שניות; "Bol" ניסויים אולטרה-מפולסים וספירת ניטרון לשרוד לאחר זמן ידוע, הפחתת ערך 8794=0 גרם להפחתה של 0.

תצפיות של עננים גזים פרימיטיביים

כדי למדוד את השפעים הפרימיטיביים האמיתיים, אסטרונומים רואים עננים של גז מתכת-פוור ביקום הרחוק (בשינויים אדומים z - 2-4.עננים אלה לא הועשרו על ידי nucleosynthesis, כך שיחסי האלמנטים שלהם משקפים כמעט pristine Big Bang שפע.coms שימוש קווי ספיגה מ quasars, הם מדדו:

שפע של Deuterium: 2H / H ⁇ 2.5 × 10-5
הליוס הרביעי: YIRLT:0 ;0 ;0 ⁇ ⁇ 1 ;0 ± 0.245 ± 0.003
שפע של Helium 3: 3He/4He ⁇ 1.1 × 10-4 (למרות שקשה יותר למדוד ולעמוד בתיקון האבולוציה של סטלר)
Lithium-7 שפע: 7Li /H ⁇ 1.6 × 10-10 (גורם דיסגוני) - 3 עם תיאוריה)

ערכים אלה הם בהסכם מצוין עם מודלים BBN עבור כל האלמנטים למעט ליתיום, אשר נשאר תחום פעיל של מחקר שכלל מסלולים של בטא לא ידועים או חלקיקים אקזוטיים דעיכה.

שאלה של לא-סטרוארד Beta Decay

כמה תיאוריות מעבר לStandard-Model מנבאות שינויים בשיעורי בטא-דעון בזמנים מוקדמים, אולי דרך זמן-מה של הפיכה חלשה או באמצעות אינטראקציות עם חומר אפל.לדוגמה, אם חומר אפל היה מרכיב שספג נויטרונים ברגעים הראשונים, הוא ימחיש קצב של דעיכה מהיר יותר.

Beta Decay - פיסול קוסמי

Beta היה הרבה יותר מאשר הערה בסיפור של המפץ הגדול, הוא שלט בשפע הניטרינון ברגע של היתוך, הפך טריטיום לתוך הליום 3, ויצר ליתיום 7 מ beryllium 7.ללא תהליכי אינטראקציה חלשים אלה, היקום הראשוני היה כמעט מימן ונווטונים יציבים, ללא נתיב לבניית גרעין כבד יותר של אור המדידות פיזיקלות מוקדמות של אור, או מדדי אור חדש של חלקיקים חדשים של חלקיקים חדשים, דרך חלקיקים עתידיים, או חלקיקים חדשים של חלקיקים חדשים של חלקיקים עתידיים, או חלקיקים חדשים, היה כמעט לחלוטין, דרך חלקיקים עתידיים, או חלקיק של חלקיק של חלקיקים של חלקיק חדש של חלקיק של חלקיקים חדשים של חלקיק חדש של חלקיקים חדשים, או חלקיק של חלקיק של חלקיק של כל אחד, או חלקיק של חלקיק של כל אחד, היה כמעט לחלוטין, או חלקיק חדש של חלקיק של חלקיק של חלקיק של חלקיק חדש של חלקיק חדש של חלקיק חדש של חלקיק של חלקיק של חלקיק של חלקיק של חלקיק של חלקיק של חלקיק של חלקיק של חלקיק של חלקיק של חלקיק חדש של חלקיק חדש של יקו

לסיכום, הממשק בין בטא דעך לבין קצב ההתרחבות של היקום עיצב את היסודות הכימיים שעל כל הכוכבים, הגלקסיות והכוכבי הלכת הבאים נבנו.עבור הקוסמולוגים, בטאוקום נשאר כלי רב עוצמה לבדיקת התנאים ביקום הקדום ולחפש רמזים של פיזיקה מעבר למודל הסטנדרטי.

(ב) ◄ [13]

"ה' א' ו'" (בראשית כ"ד, ט) ,"ב) ,"ה' (בראשית כ"ד)" (בראשית כ"ד, כ"ד)
(ב) "ה' א' ו'"ה' (ב') ,"ה' (ב') ,"ה' (ב') ,"ב') ,"ב' (ב') ,"ב' ,"ה' ,"ה'"ב'"ב'"ב': "ה'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ה'"ב'"ב': "ה'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'"ב'
(ב) "ה' ו'ה' (ה') ב'"המפץ הגדול נקלוסינתזה: 'מצב נוכחי' (ב'): 0 ביקורות של הפיזיקה המודרנית' (הראשונה ל')
נאס"א / WMAP Science Team: "Primordal Nucleosynthesis"
קבוצת נתונים חלקיקים: "Neutron Lifetime"