Первинний берилій може розповісти про Великий вибух

Канадські вчені Йозеф Прадлер (Josef Pradler) і Максим Поспєлов, який у середині дев’яностих захистив кандидатську дисертацію в Інституті ядерної фізики імені Г. І. Будкера СВ РАН, показали, що експериментальні дані про первинний берилій можна використовувати для перевірки різних моделей «нової фізики».

Словом «первинний», пояснимо, позначено елемент, що з’явився на самому початку еволюції Всесвіту.

Відправною точкою ядерної хімії називають нуклеосинтез — процес синтезу ядер елементів, важчих за водень, — під час Великого вибуху, який, імовірно, тривав менш ніж 20 хвилин. На цій стадії сформувалися лише найлегші елементи, а всі інші з’явилися пізніше. Загальноприйнята модель нуклеосинтезу ґрунтується на фізиці Стандартної моделі, «вбудованій» у Всесвіт Фрідмана — Леметра — Робертсона — Вокера, і добре відповідає експериментальним даним (оцінці поширеності первинних дейтерію та гелію-4).

Літій, берилій і бор не належать до важких елементів, однак внесок первинного нуклеосинтезу в їхнє утворення мінімальний; основним джерелом Li, Be і B вважають космічні промені, що впливають на міжзоряне середовище. Лише один стабільний первинний ізотоп, літій-7, був синтезований у кількості, яку можна оцінити експериментально.

Тут варто розповісти про те, як давні літій, берилій і бор реєструють на практиці. Усі три елементи виявляють у фотосфері зір за резонансними лініями в спектрі, причому для спостережень вибирають світила з низькою металічністю (відносною концентрацією елементів, важчих за гелій), які сформувалися з міжзоряного газу, склад якого близький до «початкового». Зі зниженням металічності відносний вміст літію-7 (⁷Li/H), звісно, падає, але на певному етапі стабілізується, виходячи на плато. Значення ⁷Li/H = (1–2,5)•10^–10, нижче за яке поширеність літію-7 вже не опускається, і вважають первинним.

Багато моделей «нової фізики», які потребують експериментальної перевірки, модифікують традиційну схему первинного нуклеосинтезу. У таких теоріях (скажімо, у деяких варіантах суперсиметричних розширень Стандартної моделі) передбачаються метастабільні довгоживучі частинки, які можуть розпадатися під час або після нуклеосинтезу, виділяючи значну кількість нетеплової енергії. Цей процес, як було показано раніше, може ініціювати синтез набагато бі́льших обсягів літію-6, ніж традиційний нуклеосинтез.

Однак літій-6 не надто зручний для спостереження, а надійно оцінити його вміст важко. Хоча у 2006 році й було опубліковано інформацію про те, що відношення ⁶Li/⁷Li має своє плато на рівні 0,05, частина астрофізиків не вважає це значення істинним. Крім того, зоряний ⁶Li сам собою досить «крихкий» і легко знищується.

Автори пропонують використовувати замість літію-6 єдиний стабільний ізотоп берилію ⁹Ве. Схема його появи внаслідок розпаду або анігіляції згаданих вище нових частинок має приблизно такий вигляд:

Перевіряти передбачення теоретиків на прикладі ⁹Ве простіше, ніж у випадку ⁶Li. Жодних ознак появи плато експериментатори досі не помітили; відносна поширеність берилію-9 послідовно зменшується зі зниженням металічності. При цьому астрономи вже встигли дістатися до надмалих значень: у нещодавній роботі, присвяченій зорі BD+44°493, максимально можливу величину ⁹Be/Н установлено на рівні 10^–14 (виявити берилій телескоп «Субару» так і не зміг).

«Нуклеосинтез може стати дуже зручним полігоном для перевірки “нової фізики”, — стверджує пан Прадлер. — Кожну модель потрібно перевіряти на відповідність спостережним даним: що більше енергії дає розпад запропонованих нових частинок, то більше має бути берилію-9, а його повинен бачити телескоп. Отже, ізотоп відіграватиме роль калориметра».

Повну версію звіту опубліковано в журналі Physical Review Letters; препринт статті можна завантажити із сайту arXiv.

Підготовлено за матеріалами PhysOrg.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.