摘要
轻元素是在宇宙最初的几分钟内通过一系列被称为大爆炸核合成(BBN)的核反应产生的1，2．在BBN期间产生的轻元素中1，2氘是一个很好的宇宙学参数指标，因为它的丰度对原始重子密度高度敏感，也取决于渗透在早期宇宙中的中微子物种的数量。尽管对原始氘丰度的天文观测已经达到百分之百的准确性3.，理论预测4，5，6由于氘燃烧截面D(p，γ）3.他的反应。在这里，我们展示了我们改进的反应截面导致BBN估计重子密度在1.6%的水平，与最近对宇宙微波背景的分析非常一致7．意大利格兰萨索国家实验室的地下核天体物理实验室(LUNA)通过挖掘地下深处可忽略的宇宙射线背景，获得了改进的截面数据。8，9．我们轰炸了一个高纯度氘气体目标10来自LUNA 400千伏加速器的强质子束11用高纯度锗探测器检测到了核反应中的γ射线。我们的实验结果解决了BBN计算中最不确定的核物理输入，并极大地提高了使用原始丰度探测早期宇宙物理的可靠性。
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数据可用性
在LUNA获得的实验数据是合作的专利，但可以在合理的要求下从相应的作者那里获得。可以向O.P. (e-mail: pisanti@na.infn.it)请求获得较小温度步长的热核反应速率值。源数据提供了这篇论文。
代码的可用性
用于BBN计算的PArthENoPE代码可以根据O.P.的要求提供(电子邮件:pisanti@na.infn.it)。
参考文献
赛伯特，R. H.，菲尔兹，B. D.，奥利文，K. A. &叶，t . H.。大爆炸核合成:现状。Rev. Mod. Phys．88， 015004(2016)。
Tanabashi, M.等人。粒子物理学综述。理论物理。启维98， 030001(2018)。
Cooke, R.， Pettini, M. & Steidel, C.原始氘丰度的百分之一测定。12,54。J．855， 102(2018)。
Pitrou, C.， Coc, A.， Uzan, J. & Vangioni, E.改进氦-4预测的精确大爆炸核合成。理论物理。代表．754， 1-66 (2018)
Coc, A.等。改进原始D/H计算和氘的宇宙演化的新反应速率。理论物理。启维92， 123526(2015)。
迪·瓦伦蒂诺，E.等。用普朗克和BICEP2探测核速率。理论物理。启维90， 023543(2014)。
Aghanim, N.等人。普朗克2018年的结果。六、宇宙学参数。阿斯特朗。12,54．641， a6(2020)。
Broggini, C.， Bemmerer, D.， Caciolli, A. & Trezzi, D. LUNA:现状与前景。掠夺。部分。诊断。理论物理．98， 55-84(2018)。
Cavanna, F. & Prati, P.天体物理学兴趣的核横截面的直接测量:结果和展望。Int。J. Mod.物理。一个33， 1843010-1843042(2018)。
莫萨，V.等。为改进的D(p，γ）3.他是大爆炸核合成能量的横截面。欧元。理论物理。j .一56， 144(2020)。
Formicola等人。LUNA II 400kV加速器。诊断。Instrum。物理方法。研究一个507， 609-616(2003)。
菲尔兹，B. D.，奥利弗，K. A.，叶，T.-H.。普朗克之后的大爆炸核合成。j . Cosmol。Astropart。理论物理．03， 010(2020)。
卡塞拉，C.等。第一次测量d(p，γ）3.他的横截面下至太阳伽莫夫峰。诊断。理论物理。一个706， 203-216(2002)。
Ma, L.等人。的测量1H (d→,γ）3.他和2H (p→,γ）3.他的能量非常低。理论物理。启C55， 588-596(1997)。
格里菲斯，G.，拉尔森，E.和罗伯逊，L.氘核捕获质子。可以。期刊．40， 402-411(1962)。
施密德，G.等。的2H (p，γ）3.他和1H (d，γ）3.反应低于80 keV。理论物理。启C56， 2565-2581(1997)。
timma, I.等人。实验截面和角分布2H (p，γ）3.在大爆炸核合成能量下的反应。欧元。理论物理。j .一55， 137(2019)。
Marcucci, L.， Mangano, G.， Kievsky, A. & Viviani, M.质子-氘核辐射捕获对大爆炸核合成的影响。理论物理。(1．116， 102501(2016)。
Adelberger, E.等人。太阳聚变截面。2的页链和CNO循环。Rev. Mod. Phys．83， 195-245(2011)。
施密德，G.等。非核自由度对D(\ (\ overrightarrow {{p}} \)γ)3.他和p（\ (\ overrightarrow {{d}} \)γ)3.他的反应理论物理。(1．76， 3088-3091(1996)。
Iliadis, C.， Anderson, K. S.， Coc, A.， Timmes, F. X. & Starrfield, S.热核反应速率的贝叶斯估计。12,54。J．831， 107(2016)。
coniglio, R.等。帕耳忒诺珀重载。第一版。理论物理。Commun．233， 237-242(2018)。
De Salas, P. & Pastor, S.遗迹中微子解耦与风味振荡的重访。j . Cosmol。Astropart。理论物理．07， 051(2016)。
曼加诺，G.等。残余中微子解耦，包括味道振荡。诊断。理论物理。B729， 221-234(2005)。
Aver, E.， Olive, K. A.， & Skillman, E. D.我λ关于氦丰度测定的10830。j . Cosmol。Astropart。理论物理．07， 011(2015)。
Peimbert, A.， Peimbert, M. & Luridiana, V.原始氦丰度和中微子家族的数量。启墨西哥人。阿斯特朗。Astrofis．52， 419-424(2016)。
Valerdi, M.， Peimbert, A.， Peimbert, M. & Sixtos, A.基于NGC 346的原始氦丰度测定2小麦哲伦星云的区域。12,54。J．876， 98(2019)。
依佐托夫，杨一，苏恩，唐兴华，古舍瓦，n.g.最缺乏金属的阻尼Lyα系统的原始氘丰度。Mon。。r·阿斯特朗。Soc．445， 778-793(2014)。
格里菲思，G.，拉尔，M. &斯卡夫，C.反应D(p，γ）3.他低于50 keV。可以。期刊．41， 724-736(1963)。
华伦，艾德曼，K. L.，罗伯逊，L. P.，艾森，D. A. &麦克唐纳，J. R.光分解3.他走近门槛。理论物理。牧师．132(1963)。
盖勒，K.，缪尔黑德，E. &科恩，L.2H (p，γ）3.他在分手的门槛前做出了反应。诊断。理论物理。一个96， 397-400(1967)。
费拉罗，等。建立了高效的地下实验气靶，并重新测定了189.5 keV的分支比22Ne (p，γ）23Na共振。欧元。理论物理。j .一54， 44(2018)。
罗尔夫斯c和罗德尼W。宇宙中的坩埚(芝加哥大学出版社，1988)。
Serpico, P. D.等人。原初核合成的核反应网络:速率、不确定性和轻核产量的详细分析。j . Cosmol。Astropart。理论物理．2004， 010(2004)。
诺莱特，K. M.和伯勒斯，S.估计反应速率和原初核合成的不确定性。理论物理。启维61， 123505(2000)。
图米诺等人。新决定2H (d，p）3.H和2H (d，n）3.他的反应速率是天体物理能量。12,54。J．785， 96(2014)。
Pisanti, O.等人。PArthENoPE:评估原始元素核合成的公共算法。第一版。理论物理。Commun．178， 956-971(2008)。
确认
我们感谢D. Ciccotti在实验过程中对加速器的操作和维护，以及真空系统的机械设置和维修;M. D 'Incecco负责定制电子产品;M. De Deo为数据采集系统;G. Sobrero为新的气体目标控制面板。我们还要感谢LNGS、INFN Bari和Dipartimento Interateneo di Fisica Bari的机械研讨会。这项工作得到了INFN的支持，由DFG (be41001 /4-1)、Helmholtz协会(ERC-RA-0016)、NKFIH (K120666)、COST协会(ChETEC CA16117)、STFC-UK、那不勒斯大学圣保罗分校资助STAR、研究资助号2017W4HA7S NAT-NET:“中微子和天体粒子理论网络”在PRIN 2017计划下由意大利教育、大学和研究部(MIUR)和INFN Iniziativa Specifica TAsP资助。R.D.感谢意大利教育、大学和研究部(MIUR)通过“Dipartimenti di eccellenza”宇宙科学项目提供的资金。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
LUNA的实验是由C.G.提出的，由F.C.和D.T.协调;p.c.， c.g.， S.Z.和V.M.负责安排;S.Z.和P.C.开发了蒙特卡罗模拟;s.z.， f.c.， p.c.， c.g.， v.m.， K.S.和F.F.领导了数据分析。其他作者参与了为期两年的数据采集工作，并对所获得的结果进行了讨论和解释。M.J.还全面负责加速器操作和地下基地。通用和O.P.完成了所有的BBN计算和贝叶斯分析。l.e.m.， a.k.， M.V.进行了从头计算。m.a.， f.c.， c.g.， G.M.和O.P.也写了这篇论文。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
额外的信息
同行评审信息自然感谢Grigory Rogachev和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。同行评审报告是可用的。
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
扩展数据图2质子束能量下的典型γ射线能谱Ep= 395 keV。
蓝色为氘气体目标处获得的γ射线谱P= 0.3 mbar(峰值从D(p，γ）3.在更高的光束能量下，He反应被多普勒效应扩大)。灰色为波束诱导的背景光谱(用惰性光谱仪获得)4他气目标)由于19F污染物(见正文)。它的贡献被减去，导致全能量峰值的净计数，统计不确定性为0.9%。两个光谱都归一化为积分光束电流。
补充信息
权利和权限
关于本文
引用本文
莫萨，V, Stöckel, K.，卡瓦纳，F。et al。宇宙的重子密度来自氘燃烧速率的提高。自然587， 210-213(2020)。https://doi.org/10.1038/s41586-020-2878-4
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DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2878-4
这篇文章被引用
元素的起源
天文学和天体物理评论(2023)
一条通往银河系最古老恒星的地下路线
自然(2022)
暗标量的宇宙学约束
高能物理杂志(2022)
要得出关于早期宇宙的结论需要精确的核测量
自然物理评论(2021)
跨阈值的热QCD轴子
高能物理杂志(2021)
