Kosmologie Ib: Thermische Geschichte des ... - Physik-Institut

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schneller ablaufen als die Expansionszeitskala, bleibt das Protonen/Neutronen Verhältnis im Gleichgewicht. Primordiale Nukleosynthese: Deuteriumbildung Die Gleichgewichtsreaktionen werden selten, nachdem Neutrinos ausgefroren sind – die obigen Reaktionen beruhen auf schwacher Wechselwirkung, also der gleichen, die Neutrinos im chemischen Gleichgewicht halten; beim Entkoppeln der Neutrinos ist n n /n p ≈ 1/3. Danach zerfällt freies Neutron auf Zeitskala τ n ; um heute überhaupt noch Neutronen zu haben, müssen die Neutronen schnell in Kernen gebunden werden. • Der einfachste Kern ist Deuterium, D, bestehend aus einem Proton und einem Neutron; die Bildungsreaktion ist: p + n → D + γ Deuteriumbildung: Einfachster Kern ist Deuterium, D, bestehend aus einem Proton und einem Neutron, Bildungsreaktion • mit einer Bindungsenergie von Eb(D) = 2.225 MeV (Energie nicht sehr viel größer als mec 2 und Δm!) p + n → D + γ ; • Dies ist eine Reaktion der starken WW, sie läuft sehr effizient ab Bindungsenergie von D: E b = 2.225 MeV; diese Energie nur etwas größer als m e c 2 und ∆m – all diese Energien sind sehr ähnlich! Abbildung 4.16: Deuteriumbildung Deuteriumbildung ist Reaktion der starken Wechselwirkung, läuft sehr effizient ab. • Jedoch: zum Zeitpunkt der Jedoch: Entkopplung zum Zeitpunkt der der Neutrinos Entkopplung und der der Neutrinos Paarvernichtung und der Paarvernichtung ist T nur wenig ist kleiner als Eb(D); weil die T Photonen nur wenig kleiner so viel als zahlreicher E b ; weil Photonen sind als sodie vielBaryonen, zahlreicher als gibt Baryonen, es genügend gibt es viel energetische Photonen genügend im Hochenergie-Teil viele energetische der Photonen Planck-Verteilung, im Wien-Schwanz die der das Planck-Verteilung, Deuterium wieder die D zerstören können (Photogesintegration) wieder zerstören. Erst wenn k B T ≪ E b kann Deuterium in größerer Menge vorhanden sein (Beschreibung • Erst wenn kBT
Primordiale Nukleosynthese: Deuteriumbildung • Dies geschieht bei T D ≈ 8 × 10 8 K t ~ 3 min • bis dahin sind eine Teil der Neutronen zerfallen, das Verhältnis beträgt dann: n n n p ≈ 1 7 • wegen der starken WW werden praktisch alle Neutronen in D gebunden • Sobald D vorhanden ist, bildet sich 4 He, ein Kern mit großer Bindungsenergie (Eb(He) ~ 28 MeV); bis auf einen kleinen Rest verwandelt sich sämtliches Deuterium in 4 He: D + D → 3 He + n 3 He + D → 4 He + p oder D + D → 3 H + p 3 H + D → 4 He + n • die Abhängigkeit der Heliumbildung von der kleinen Bindungsenergie von Deuterium wird daher als “Flaschenhals der Kernsynthese” bezeichnet 33
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