Изменение фундаментальных констант не помогло бериллию-8 стать стабильным
Процесс синтеза бериллия-8 зависит от значений фундаментальных постоянных, которые на ранних этапах развития вселенной могли быть другими. В новой работе американские физики с помощью компьютерного моделирования показали, что эта зависимость не вносит существенный вклад в первичный нуклеосинтез. Статья опубликована в журнале Physical Review D.
Первичный нуклеосинтез (Big Bang nucleosynthesis) часто используют для исследовании физики ранней вселенной. Например, в то время значения фундаментальных констант могли быть другими, что привело бы к существенному изменению концентраций образующихся элементов. Зная текущие концентрации, можно установить ограничения на значения этих констант.
В частности, интересно, как при изменении фундаментальных констант могла бы измениться реакция распада бериллия-8 и связанная с ней реакция горения гелия-4, поскольку она играет важную роль в процессе синтеза тяжелых элементов, особенно углерода (так называемая тройная гелиевая реакция или тройной альфа-процесс). При текущих значениях констант бериллий-8 очень нестабилен и быстро распадается (период полураспада порядка 10−16 секунд), поэтому синтез углерода возможен только в звездах при больших температурах и плотностях плазмы. В данной работе физики проверили, могла ли эта реакция идти более активно на ранних этапах жизни вселенной.
Ученые рассматривали зависимость сечения реакции слияния гелия-4 в бериллий-8 от параметра B8, представляющего собой разность масс исходных ядер гелия и конечного ядра бериллия. Этот параметр зависит от фундаментальных констант, например, от постоянной тонкой структуры или константы гравитационного взаимодействия. В наше время B8 составляет около −0.092 мегаэлектронвольт, но в статье ученые предполагали, что параметр B8 положителен и принимает значения до 3 мегаэлектронвольт.
В модели, используемой физиками, сечение реакции зависело от двух параметров: энергии исходных ядер в системе центра инерции (в ней удобнее всего изучать процессы взаимодействия частиц) и параметра Зоммерфельда (Sommerfeld parameter). Затем они выделяли из выражения для сечения существенную часть (S-фактор) и раскладывали ее в степенной ряд вокруг нулевого значения энергии. Для целей своего исследования физики использовали только нулевой порядок разложения, который определяется единственным параметром F0.
Затем ученые рассчитали с помощью компьютерного моделирования концентрации 8Be и 4He для различных значений параметров B8 и F0. Оказалось, что существенного повышения концентраций бериллия, а значит, и существенных изменений в синтезе тяжелых элементов, не происходит вплоть до значений B8 порядка одного мегаэлектронвольта (это хорошо видно на графике). Такое значение параметра может быть получено изменением константы сильной связи или постоянной тонкой структуры на величину около 15 процентов.
Также физики исследовали синтез лития-7 в ходе слияния ядер 4He и 3H. Эта реакция связана с реакцией образования бериллия, и концентрацию 7Li можно выразить через параметр B8. Оказалось, что ход этого процесса также существенно не меняется при значениях параметра, меньших одного мегаэлектронвольта.
Таким образом, работа ученых указывает на то, что образование тяжелых элементов в процессе первичного нуклеосинтеза маловероятно. Поэтому большая часть тяжелых элементов, включая углерод, кислород и азот, образовались в звездах, где плотность плазмы и время слияния ядер элементов были выше.
Не так давно мы писали о процессе синтеза тяжелых химических элементов в результате слияния нейтронных звезд и первичных черных дыр.
Дмитрий Трунин
Для этого физики упрятали почти четыре тонны жидкого ксенона под гору
Физики из коллаборации PandaX поделились результатами поиска следов электромагнитного взаимодействия обычной и темной материй. Для этого они искали отклонения в числе фотонов, рожденных в 3,7 тонны жидкого ксенона, от модельного предсказания. Отрицательный результат позволил наложить новые ограничения на все типы электромагнитных свойств гипотетических частиц. Исследование опубликовано в Nature. Поиск частиц темной материи — важнейшая задача, над которой физики и астрономы бьются уже почти век. Ее существование доказывают наблюдения за движением галактик и реликтовым излучением, но, несмотря на это, ученые до сих пор не понимают, из чего она состоит. Подробнее про темную материю читайте в материале «Невидимый цемент Вселенной». Среди прочего физики спорят, участвуют ли частицы темной материи в электромагнитном взаимодействии. Само определение «темная» подразумевает отрицательный ответ, однако, это может лишь значить, что такое взаимодействие слишком слабое, чтобы его могли зафиксировать общие наблюдения и эксперименты. Темная материя может состоять из миллизаряженных частиц или частиц с неточечным зарядом, либо частиц с малым электрическими или магнитными дипольными моментами, анапольными моментами и так далее. Поиск следов такого взаимодействия ведется на самых различных установках. Среди прочего, этим заняты физики из коллаборации PandaX-4T, работающие в зале B2 Китайской подземной лаборатории Цзиньпин. Ученые исследуют гипотетический процесс, при котором частица темной материи обменивается фотоном с ядром вещества. Модели предсказывают, что его итогом должно стать излучение, испущенное ускоренным ядром, и излучение, испущенное электронами, оторвавшимися от ядра. Чтобы отыскать такие пары сигналов, физики наполняли свой детектор 3,7 тонны жидкого ксенона, окруженного с двух сторон массивами фотоумножителей. При анализе данных, собранных за 86 дней измерений, ученые учитывали множество фоновых процессов: бета-распады прочих ядер, естественную радиоактивность материалов детектора, влияние солнечных нейтрино и так далее. В результате оказалось, что учета фоновых процессов достаточно, чтобы объяснить происхождение более тысячи событий, зарегистрированных установкой. Результат эксперимента накладывает ограничения на известные электромагнитные модели частиц темной материи в диапазоне масс от 20 до 40 гигаэлектронвольт. Так, из него следует, что зарядовый радиус этих частиц не превышает 1,9 × 10-10 фемтометра, миллизаряд — 1,9 × 10-10 заряда электрона, а электрический и дипольный моменты — 1,2 × 10-23 заряда электрона на сантиметр и 4,8 × 10-10 магнетона Бора, соответственно. Ограничению подвергся также анапольный момент: 1,6 × 10-33 квадратного сантиметра, что почти в три раза меньше, чем предел, полученных в предыдущем исследовании. В качестве иллюстрации авторы сравнили свои ограничения с таковыми для других распространенных заряженный частиц: нейтрона и нейтрино, полученными другими группами. Предел для зарядового радиуса темной частицы оказался на четыре порядка строже, чем у нейтрино, пределы электрического дипольного момента и анапольного момента заняли промежуточное положение между таковыми для нейтрона и нейтрино, а предел магнитного момента оказался на один порядок слабее нейтринного. Ранее мы писали про то, как предыдущая версия детектора PandaX-4T — PandaX-II, — наполненная 0,57 тонны жидкого ксенона, помогла ограничить самодействующую темную материю.