Wie berechnet man die Dichte von Reliktneutrinos?

Als ich in den 1990er Jahren an der Graduate School war, war das Standardwerk für solche Dinge das Buch The Early Universe von Kolb und Turner . Selbst nach all den Jahren ist die Behandlung dieses Themas in diesem Buch wahrscheinlich immer noch ein guter Ort, um nachzusehen.

Selbst wenn es keinen asymmetrieerzeugenden Prozess für Neutrinos gibt (wie die Baryogenese), erwarten Sie immer noch einen Relikt-Neutrino-Hintergrund, der eine thermische (Fermi-Dirac) Verteilung von Neutrinos und Antineutrinos mit einer Temperatur von etwa 2 K ist. Der Grund dafür ist, dass Zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Entwicklung des Universums sank die Dichte so weit ab, dass die Neutrinozahl "eingefroren" wurde: Wechselwirkungen, die die Anzahl der Neutrinos verändern könnten (wie primär$e^- e^+ \leftrightarrow \nu_e\ \bar\nu_e$) wurde so selten, dass die Zeit, in der ein bestimmtes Teilchen eine solche Reaktion durchmachte, viel länger wurde als eine Hubble-Zeit.

Es ist lange her, dass ich Baryogenese- Modelle mit Sorgfalt betrachtet habe, aber soweit ich mich erinnere, würde man von einigen Modellen erwarten, dass sie auch eine Asymmetrie im Neutrino-Sektor erzeugen. Aber in der Praxis glaube ich nicht, dass die Vorhersage viel ändern würde. Der Grund ist, dass die Baryogenese nur einen Teil in produzieren muss$10^9$Asymmetrie (eine Milliarde und ein Proton für jede Milliarde Antiprotonen). Das hat heute sehr auffällige Auswirkungen, weil es praktisch zu einer vollständigen Vernichtung der Antiprotonen kam. Aber das Ausfrieren von Neutrinos tritt viel früher auf, während Neutrinos noch relativistisch sind, also glauben wir nicht, dass diese massive Vernichtung für Neutrinos stattgefunden hat. Selbst wenn es also eine Neutrino-Antineutrino-Asymmetrie gibt, die mit der durch Baryogenese erzeugten Asymmetrie vergleichbar ist, sollte dies nur zu einem winzigen Unterschied in der Anzahl von Neutrinos gegenüber Antineutrinos führen.

Lassen Sie es mich anders ausdrücken. Zu frühen Zeiten (Temperatur viel größer als die Protonenmasse) gab es vergleichbare Zahlen von Photonen, Neutrinos und Protonen. Die Baryogenese führte damals zu einer Asymmetrie von Protonen gegenüber Antiprotonen. Danach vernichteten sich fast alle Protonen und Antiprotonen, was zu dem beobachteten Ergebnis führte, dass heute auf jedes Proton eine Milliarde Photonen kommen. Wir erwarten jedoch, dass die Anzahl der Relikt-Neutrinos in der gleichen Größenordnung liegt wie die Anzahl der Photonen, nicht der Protonen, sodass eine Neutrino-Asymmetrie auf Baryogenese-Ebene nicht erkennbar ist.