晚期带电流弱相互作用对大爆炸核合成的惊人影响

弱相互作用带电流过程（$\nu_e+n\leftrightarrow p+e^-$, $\bar\nu_e +p\leftrightarrow n+e^+$, $n\leftrightarrow p+e^-+\bar\nu_e$）在早期宇宙中相互转换中子与质子，并对大爆炸核合成（BBN）轻元素丰度产额，特别是 $^{4}{\rm He}$ 的产额有显著影响。我们证明这些过程的影响即使在远低于通常援引为“弱冻结”的温度 $T\sim0.7\,{\rm MeV}$ 下操作仍然显著，实际上一直持续到接近 α 粒子形成时期（$T \approx 0.1\,{\rm MeV}$）。这一物理被正确捕获于常用 BBN 代码中，尽管这种同位旋改变弱过程的晚期、低温持续效应，以及相关速率对轻子能量分布函数和阻塞因子的敏感性，并未被广泛认识。我们通过分析弱相互作用速率对中子寿命、轻子能量分布函数、熵、质子-中子质量差以及哈勃膨胀率的依赖来量化这一晚期影响。我们在此指出的效应使 BBN 成为探测任何超出标准模型物理的敏锐探针，此类物理会微妙地改变早期宇宙各时期直至近 $T=100\,{\rm keV}$ 的轻子数/能量分布。