Експериментальні дані з первинного берилію можна використовувати для перевірки різних моделей «нової фізики»

Канадські вчені Джозеф Прадлер (Josef Pradler) і Максим Поспєлов, в середині дев’яностих захистив кандидатську дисертацію в Інституті ядерної фізики ім. Р. В. Будкера ЗІ РАН, показали, що експериментальні дані з первинного берилію можна використовувати для перевірки різних моделей «нової фізики».

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

Відправною точкою ядерної хімії називають нуклеосинтез — процес синтезу ядер елементів важче водню — при Великому вибуху, що тривав, імовірно, менше 20 хвилин. На цій стадії сформувалися лише самі легкі елементи, а всі інші з’явилися пізніше. Загальноприйнята модель нуклеосинтеза заснована на фізиці Стандартної моделі, «впровадженої» у Всесвіт Фрідмана — Леметра — Робертсона — Уокера, і дає гарну відповідність експериментальним даним (оцінці поширеності первинних дейтерію і гелію-4).

Літій, берилій і бор до важким елементам не віднесеш, однак внесок первинного нуклеосинтеза в їх формування мінімальний; основним джерелом Li, Be, B вважаються космічні промені, що впливають на міжзоряну середу. Тільки один стабільний первинний ізотоп, літій-7 був синтезований в таких кількостях, які можна оцінити експериментально.

Тут варто розповісти про те, як стародавні літій, берилій і бор реєструються на практиці. Всі три елементи виявляють у фотосфері зірок у резонансних ліній в спектрі, причому для спостережень вибирають світила з низькою металевістю (відносною концентрацією елементів важче гелію), що сформувалися з міжзоряного газу, склад якого близький до «первісного». При зниженні металличности відносний вміст літію-7 (7Li/H), зрозуміло, падає, але на певному етапі стабілізується, виходячи на плато. Значення 7Li/H = (1-2,5)•10-10, нижче якого поширеність літію-7 вже не опускається, і приймають за первинне.

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

Літій-6, проте, не надто зручний для спостереження, а надійно оцінити його зміст важко. Хоча в 2006 році і була опублікована інформація про те, що ставлення 6Li/7Li має своє плато на рівні 0,05, частина астрофізиків не вважає це значення є істинним. Крім того, зоряний 6Li сам по собі досить «крихкий» і легко знищується.

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

енергія → 3H, 3 he → 6He, 6Li → 9Be.
Розрахувавши імовірність утворення 9Be, фізики прийшли до висновку про те, що обсяг первинного берилію-9, синтезованого в моделях, відмінних від загальноприйнятої, потрапляє в доступну для спостережень область.

Експериментальні дані по берилію-9. По горизонтальній осі відкладена металлічность, а квадратами показані випадки виявлення 9Be у фотосфері зірок. Трикутником відзначено значення для зірки BD+44°493. Величина А(Ве) розраховується за формулою А(Ве) = lg(9Be/Н) + 12. (Ілюстрація з журналу Physical Review Letters.)

Тестувати передбачення теоретиків на прикладі 9Ве простіше, ніж у випадку 6Li. Ніяких ознак появи плато експериментатори досі не відзначили; відносна поширеність берилію-9 справно зменшується з падінням металличности. При цьому астрономи вже встигли дістатися до надмалих значень: у недавній роботі, присвяченій зірки BD+44°493, максимально можлива величина 9Be/Н встановлена на рівні 10-14 (виявити берилій телескоп «Субару» так і не зумів).

«Нуклеосинтез може стати дуже зручним полігоном для перевірки «нової фізики», — стверджує пан Прадлер. — Кожну модель потрібно тестувати на відповідність даним спостережень: чим більше енергії дає розпад пропонованих нових частинок, тим більше повинно бути берилію-9, а його повинен бачити телескоп. Ізотоп, таким чином, буде грати роль калориметра».

Повна версія звіту опублікована в журналі Physical Review Letters; препринт статті можна завантажити з сайту arXiv.

Підготовлено за матеріалами PhysOrg.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *