Изменение фундаментальных констант не помогло бериллию-8 стать стабильным

NASA, ESA, M. Postman (STScI), and the CLASH team

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.