中子平均寿命与太初核合成

我们探讨了中子寿命及其不确定性对标准太初核合成（BBN）的影响。BBN描述了宇宙时间最初几分钟内轻核素$^1{\rm H}$、${\rm D}$、$^3{\rm H}$+$^3{\rm He}$、$^4{\rm He}$和$^7{\rm Li}$+$^7{\rm Be}$的宇宙产生。在现代BBN计算中，中子平均寿命$\tau_n$具有双重作用：（1）它归一化弱相互作用$n \leftrightarrow p$相互转换的矩阵元；（2）它设定弱相互作用冻结后自由中子衰变的速率。我们回顾了$\tau_n$测量与BBN之间相互作用的历史，并研究了轻元素丰度对现代中子寿命测量的敏感性。我们发现，$\tau_n$的不确定性主导了预言的$^4{\rm He}$误差预算，但即便考虑到近期中子寿命测量的离散性，这些理论误差仍小于$^4{\rm He}$观测的不确定性。对于其他轻元素的预言，$\tau_n$对其误差预算的贡献可忽略不计。反过来看，我们结合当前BBN与宇宙微波背景（CMB）对宇宙重子密度的测定，预言了一个“宇宙学偏好”的平均寿命$\tau_{n}({\rm BBN+CMB}) = 870 \pm 16 \ \rm sec$，其与实验平均寿命测定结果一致。我们进一步表明，若未来的天文与宇宙学氦观测能在$^4{\rm He}$质量分数$Y_p$上达到$\sigma_{\rm obs}(Y_p) = 0.001$的不确定度，则可能开始区分不同的平均寿命测定结果。