The LBT $Y_{\rm p}$ Project V: Cosmological Implications of a New Determination of Primordial $^4$He

Résumé technique : Le projet LBT Yp V : Implications cosmologiques d'une nouvelle détermination de l'hélium-4 primordial

Problème et motivation
L'abondance primordiale de l'hélium-4 ($Y_p$) sert de sonde critique de la nucléosynthèse primordiale (BBN) et de l'Univers primordial ($z \sim 10^{10}$), complétant les observations du fond diffus cosmologique (CMB) ($z \sim 1100$). Bien que l'abondance du deutérium (D/H) soit bien mesurée dans les systèmes d'absorption de quasars à haut décalage vers le rouge, la détermination de $Y_p$ a historiquement été limitée par les incertitudes systématiques dans les observations de régions H II à faible métallicité et par la nécessité d'extrapolations par régression linéaire vers une métallicité nulle. Les mesures précédentes, telles que celles d'Aver et al. (2021a), ont produit $Y_p = 0,2448 \pm 0,0033$. Le projet LBT $Y_p$ vise à réduire ces incertitudes en observant un large échantillon de régions H II extrêmement pauvres en métaux afin de déterminer $Y_p$ directement à partir de la moyenne des objets à la plus faible métallicité, minimisant ainsi la dépendance aux modèles de régression et aux corrections de contamination stellaire. Cette précision est essentielle pour tester le Modèle Standard de la physique des particules (spécifiquement le nombre de degrés de liberté relativistes, $N_\nu$) et la concordance entre les cosmologies BBN et CMB.

Méthodologie
Les auteurs combinent de nouvelles données observationnelles avec des calculs théoriques mis à jour :

1. Observations : L'étude utilise des données du Large Binocular Telescope (LBT) couvrant 54 régions H II extragalactiques avec des abondances d'oxygène $O/H < 15 \times 10^{-5}$. Les spectres ont été analysés à l'aide d'une fonction de vraisemblance $\chi^2$ ajustant 24 raies d'émission (H et He) pour déterminer les paramètres physiques (température électronique, densité, reddening, etc.). Les objets échouant à un critère de niveau de confiance de 95 % ou présentant des caractéristiques spectrales inhabituelles ont été exclus, laissant un échantillon robuste de 41 objets. La détermination finale de $Y_p$ se concentre sur les 15 objets ayant la plus faible métallicité ($O/H \le 4 \times 10^{-5}$), où la corrélation entre l'abondance d'hélium et la métallicité est négligeable.
2. Cadre théorique : Les calculs de la BBN utilisent le code des travaux précédents (Fields et al. 2020 ; Yeh et al. 2022) mais intègrent la dernière valeur du Groupe de données de particules pour la durée de vie du neutron ($\tau_n = 878,3 \pm 0,4$ s). L'analyse emploie une approche basée sur la vraisemblance, convoluant les prédictions théoriques de la BBN avec les vraisemblances observationnelles pour $Y_p$ et D/H, ainsi que les vraisemblances CMB des données de Planck.
3. Analyse statistique : Les auteurs effectuent une marginalisation sur les paramètres pour dériver les contraintes sur le rapport baryons-photons ($\eta$) et le nombre effectif de espèces de neutrinos ($N_\nu$). Ils analysent les cas où $N_\nu$ est fixé à 3 (BBN Standard) et où $N_\nu$ est un paramètre libre.

Contributions clés

• Nouvelle abondance d'hélium primordiale : Le projet rapporte une nouvelle détermination hautement précise de la fraction de masse d'hélium primordiale :
  $$Y_p = 0,2458 \pm 0,0013$$
  Ce qui correspond à un rapport hélium-hydrogène de $y_p = 0,08146 \pm 0,00058$. Ce résultat est dérivé de la moyenne de 15 objets extrêmement pauvres en métaux, réduisant l'incertitude d'un facteur $\sim 2,5$ par rapport au précédent meilleur résultat basé sur la régression.
• Durée de vie du neutron mise à jour : L'analyse intègre la durée de vie mise à jour du neutron, bien que les auteurs notent que son impact sur $Y_p$ est faible par rapport aux autres incertitudes de réaction.
• Test de concordance : L'article fournit une comparaison rigoureuse des prédictions de la BBN par rapport à la nouvelle mesure de $Y_p$, à la dernière mesure de D/H ($D/H = (2,513 \pm 0,028) \times 10^{-5}$), et aux données CMB de Planck.

Résultats

1. BBN Standard ($N_\nu = 3$) : Lorsque $N_\nu$ est fixé à 3, la combinaison des données CMB, BBN et des données observationnelles produit un rapport baryons-photons de $\eta = (6,120 \pm 0,038) \times 10^{-10}$, correspondant à un paramètre de densité baryonique $\Omega_B h^2 = 0,02236 \pm 0,00014$. Les résultats montrent un excellent accord entre la densité baryonique déterminée par le CMB et les abondances prédites par la BBN.
2. Variation de $N_\nu$ : Lorsque $N_\nu$ est autorisé à varier, l'analyse combinée produit :
   • $\eta = (6,101 \pm 0,044) \times 10^{-10}$
   • $N_\nu = 2,925 \pm 0,082$
   • Pour $N_\nu \ge 3$, la limite de confiance à 95 % est $\Delta N_\nu = N_\nu - 3 \le 0,125$.
   • La incertitude de $N_\nu$ est désormais dominée par l'incertitude observationnelle de $Y_p$, qui est plus petite que l'incertitude théorique de la prédiction CMB+BBN.
3. Comparaison avec les travaux précédents : La nouvelle valeur de $Y_p$ déplace la meilleure estimation de $N_\nu$ plus près de la valeur du Modèle Standard de 3 et réduit considérablement l'incertitude par rapport au résultat précédent ($N_\nu = 2,898 \pm 0,141$).

Signification et affirmations
L'article affirme que la nouvelle détermination de $Y_p$ démontre une forte cohérence avec le Modèle Standard de la physique des particules et le modèle cosmologique standard ($\Lambda$CDM).

• Validation de la cosmologie standard : La concordance entre la BBN (à $\sim 1$ sec) et le CMB (à $\sim 400\,000$ ans) est maintenue, sans preuve de nouvelle physique altérant le taux d'expansion ou le contenu particulaire entre ces époques.
• Contraintes sur la nouvelle physique : La contrainte serrée sur $\Delta N_\nu \le 0,125$ impose des limites strictes sur la physique au-delà du Modèle Standard. Spécifiquement, elle exclut l'existence de particules scalaires en équilibre (qui contribueraient $\Delta N_\nu \approx 0,57$) et contraint les interactions des neutrinos à main droite, nécessitant une température de découplage $T_{d\nu_R} > m_t$ et une masse de boson de jauge $M_{Z'} \gtrsim 350$ TeV.
• Perspectives futures : Les auteurs notent que bien que l'incertitude actuelle de $Y_p$ ($\sigma \approx 0,0013$) soit une amélioration significative, une réduction supplémentaire (jusqu'à $\sigma(Y_p) < 0,0006$) serait nécessaire pour tester les effets subtils du chauffage des neutrinos ($N_{eff} \approx 3,044$) par rapport au compte de neutrinos standard ($N_\nu = 3$). Ils suggèrent que les futures expériences CMB comme l'Observatoire Simons pourraient éventuellement fournir des contraintes compétitives sur $N_{eff}$.

L'article conclut que le projet LBT $Y_p$ a réussi à atteindre une précision dans la détermination de l'abondance d'hélium qui est désormais compétitive avec, et dans certains aspects supérieure à, les prédictions théoriques, permettant une nouvelle ère de tests de cosmologie de précision.