困扰宇宙学家几十年的宇宙锂问题,现在有进展了

在我们的宇宙中,理论和观察到的锂量之间存在显着差异(www.suiL.cn)。这被称为宇宙锂问题(CLP),它已经困扰了宇宙学家几十年。现在,由于对负责产生锂的核过程进行了一项新实验,研究人员已将这种差异减少了约 10%。这项研究可以为更完整地了解早期宇宙指明道路。

有一句名言:“理论上,理论和实践是一样的。在实践中,它们不是。”这在每个学术领域都成立,但在宇宙学中尤为常见,研究整个宇宙,我们认为应该看到的和我们真正看到的并不总是一致的。这主要是因为许多宇宙学现象由于难以接近而难以研究。由于所涉及的极端距离,宇宙学现象通常是我们无法触及的,或者它们经常发生在人类大脑甚至在进化到首先要担心它们之前——例如大爆炸的情况。

东京大学核研究中心的项目助理教授 Seiya Hayakawa 和讲师 Hidetoshi Yamaguchi 以及他们的国际团队,对宇宙学中理论和观察非常不一致的一个领域特别感兴趣,那就是锂缺失问题——宇宙锂问题(CLP)。简而言之,理论预测,在创造宇宙中所有物质的大爆炸之后的几分钟内,锂的丰度应该是我们实际观察到的数量的三倍左右。但是Seiya Hayakawa和他的团队对这种差异进行了部分解释,因此为可能有朝一日完全解决它的研究铺平了道路。

“137 亿年前,当物质从大爆炸的能量中聚结时,我们都认识的常见轻元素——氢、氦、锂和铍——在我们称为大爆炸核合成 (BBN) 的过程中形成,” Seiya Hayakawa说, “然而,大爆炸核合成(BBN) 并不是一个事物依次变成另一事物的直接事件链;它实际上是一个复杂的过程网络,其中一堆质子和中子形成原子核,其中一些衰变成其他核。例如,一种形式的锂或同位素锂-7 的丰度主要来自铍-7 的产生和衰变。但它要么在理论上被高估,在现实中被低估,要么是两者的结合。这需要真正了解当时发生的事情。”

锂-7是最常见的锂同位素,占所有观察到的同位素的 92.5%。然而,尽管公认的 大爆炸核合成(BBN) 模型可以极其准确地预测大爆炸核合成(BBN) 中所有元素的相对数量,但锂 -7 的预期数量仍是实际观察到的数量的三倍左右。这意味着我们对早期宇宙形成的认识存在差距。有几种旨在解决这个问题的理论和观测方法,但Seiya Hayakawa和他的团队使用粒子束、探测器和一种称为特洛伊木马的观测方法模拟了大爆炸核合成(BBN) 期间的条件。

上图:实验装置,当一束铍从左边进来时,作为特洛伊木马的氘在目标处拦截它并送出它的中子士兵。这允许铍和中子反应的衰变产物被右侧的六个探测器的弯曲阵列捕获。

“我们比以往任何时候都更仔细地检查大爆炸核合成( BBN )反应之一,其中铍 7 和中子衰变成锂-7 和质子。由此产生的锂 7 丰度水平略低于预期,低约 10%,”说Seiya Hayakawa, “这是一个非常难以观察的反应,因为铍-7 和中子是不稳定的。所以我们使用氘核,一个带有额外中子的氢核,作为一种容器,将中子巧妙的发送到铍-7 束中而不干扰它。这是一种独特的技术,由我们合作的意大利团队开发,其中氘核就像希腊神话中的特洛伊木马,而中子则是潜入坚不可摧的特洛伊城的士兵(破坏样品的稳定性) 。由于新的实验结果,我们可以为未来的理论研究人员在尝试解决宇宙锂问题( CLP )时提供一些帮组。”

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