Neutron decay and interconversion
Particle processes are a lot like equations
You can turn them around and they still work
You can move particles to the other side by “subtracting them”
This means replacing them with anti-particles
p+
n0
e-
The neutron (in isolation) is an unstable particle
Decays to proton + electron + anti-neutrino
Mean lifetime: 886 seconds
+
+
Put the neutrino on the other side
p+
+
n0
+
Put the electron on the other side
+
e+
n0
p+
e-
+
Primordial Nucleosynthesis
All thee processes convert neutrons toprotons and vice versa
Neutron/Proton Freezeout
Weak interactions interconvert protons/neutrons
These are slow processes, so they fall out of equilibrium fairly early
At kBT = 0.71 MeV, the process stops
What is ratio of protons to neutrons at this temperature?
Non-relativistic, E = mc2.
Ratio is:
This happens at about:
The Deuterium Bottleneck
The next step in making more complexelements is to make 2H, deuterium:
This releases about 2.24 MeV of energy
Naively: this process will go ahead as soon as kB drops below 2.24 MeV
Actually, much lower temperature is required because of very low density ofnucleons
Actual temperature is about factor of 20 lower:  0.1 MeV
Age of universe at this time:
At this point, some neutronsare gone due to decay
p+
n0
+
p+
n0
Ratio depends weakly on density of protons/neutrons – more makes it happen sooner
Making Helium
Once we make deuterium, we continue quickly to continue to helium:
p+
n0
+
p+
n0
p+
n0
n0
p+
n0
n0
+
p+
p+
n0
n0
p+
n0
+
p+
n0
p+
p+
n0
+
p+
p+
n0
n0
p+
p+
n0
For every two neutrons, there will be two protons that combine to make 4He
Mass fraction of 4He is twice that of neutron fraction
4He is extremely stable – once formed it won’t go back.
The sooner it happens, the more neutrons are left over
Define  as the current ratio of baryons (protons + neutrons) to photons
As  increases, YP increases weakly:
Making Other elements
When you run out of neutrons, 3He can still be turned into 4He via
The last few 2H, 3He, and 3H nuclei will have trouble finding partners
There will be small amount of each of these isotopes left
The more baryons there are, the easier it is to find a partner
As  increases, 2H, 3He, and 3H all decrease
There are other rare processes that produce a couple of other isotopes:
7Li and 7Be are produced
I don’t understand how theydepend on 
Within a few hundred seconds, thebaryons are all in 1H, 2H, 3H, 3He,4He, 7Be and 7Li
+
p+
p+
n0
+
p+
p+
n0
n0
p+
p+
n0
p+
p+
+
+
p+
p+
n0
p+
p+
n0
n0
p+
n0
n0
+
p+
p+
n0
n0
p+
p+
p+
n0
n0
n0
p+
n0
n0
n0
p+
p+
p+
n0
Anything we missed?
Two of these isotopes are unstable:
Add 3H to 3He and 7Be to 7Li
The process whereby stars make heavier elements do not work in the early universe
Density is too low for unstable 8Be to findanother 4He to react with
In the end, we should be able to predict abundance (compared to hydrogen) of2H, 3He, 4He, 7Li
These have all been measured, mostly by studying light from quasars
Back in the good old days (the 90s), this was how we estimated 
Now we have an independent way of estimating it (later lecture)
We should be able to compare the results withpredictions
A very strong test of Big Bang theory
The results
Predictions for 4He, 2H and 3He allwork very well
Prediction for 7Li seems to be off
The Lithium problem
Overall, success for the model
Summary of Events:
EventkBT or TTime
Neutrinos Decouple1 MeV0.4 s
Neutron/Proton freezeout0.7 MeV1.5 s
Electron/Positron Annihilate170 keV30 s
Primordial Nucleosynthesis80 keV200 s
Matter/Radiation Equality0.76 eV57 kyr
Recombination0.26 eV380 kyr
Structure formation30 K500 Myr
Now2.725 K13.75 Gyr
Lots of unsolved problems:
What is the nature of dark matter?
Why is the universe flat (or nearly so)?
Where did all the structure come from?
What is the nature of dark energy?
What we know and what we don’t:
Up to now, everything we have discussed is based on pretty well understood physics
And the experimental results match it well!
As we move earlier, we reach higher temperatures/energies, and therefore thingsbecome more uncertain
For a while, we can assume we understand the physics and apply it, but we don’thave any good tests at these scales
The Early Universe
New particles appear as temperature rises:
Muons, mass 105.7 MeV, at about kB = 35 MeV (g = 4 fermions)
Pions, mass 135-139 MeV, at about kBT = 45 MeV (g = 3 bosons)
At a temperature of about kB = 100 MeV, we have quark deconfinement
Quark Confinement
There are a group of particles called baryons that have strong interactions
Proton and neutron are examples
There are also anti-baryons and other strong particles called mesons
In all experiments we have done, the baryon number is conserved
Baryon number = baryons minus anti-baryons
All strongly interacting particle contain quarks or anti-quarks or both
The quarks are held together by particles called “gluons”
u
u
d
u
g
u
At low temperatures quarks are confined into these packets
At high temperatures, these quarks become free (deconfined)
Estimated kB= 150 MeV
Electroweak Phase Transition
There are three forces that particle physicist understand:
Strong, electromagnetic, and weak
Electromagnetic and weak forces affected by a field called the Higgs field
The shape of the Higgs potential is interesting:
Sometimes called a Mexican Hat potential
At low temperatures (us), one direction is easy tomove (EM forces) and one is very hard (weak forces)
At high temperatures, (early universe) you naturallymove to the middle of the potential
All directions are created equal
Electroweak unification becomes apparent atperhaps kBT = 50 GeV
The Standard Model
Particlesymbolsspingmc2 (GeV)Electrone½40.0005Electron neutrinoe½2~0Up quarkuu½12~0.005Down quarkdd½12~0.010Muon½40.1057Muon neutrino½2~0Charm quarkcc½121.27Strange quarkss½12~0.10Tau½41.777Tau neutrino½2~0Top quarktt½12173Bottom quarkbb½124.7
Photon120Gluon       ggggggg1160W-bosonW1680.4Z-bosonZ1391.2
HiggsH01115–285
Above the electroweak phasetransition, all known particles of thestandard model should exist withthermal densities
From here on, we will bespeculating on the physics
Cosmology sometimes indicates weare guessing right
Goal:  Learn physics fromcosmology
Supersymmetry
In conventional particle physics, fermions and bosons are fundamentally different
And never the twain shall meet
In a hypothesis called supersymmetry, fermions and bosons are interrelated
There must be a superpartner for every particle:
Supersymmetry also helps solve aproblem called the hierarchy problem
But only if it doesn’t happen attoo high an energy
If supersymmetry is right, then scale ofsupersymmetry breaking probably around kBT = 500 GeV or so.
If this is right, the LHC should discover it
In most versions ofsupersymmetry, the lightestsuper partner (LSP) should beabsolutely stable
Could this be dark matter?
Grand Unification Theories (GUT’s)
In the standard model, there are three fundamental forces, and three correspondingcoupling constants
These have rather different values
But their strength changes as you change the energy of the experiment, theortically
How much they change depends on whether supersymmetry is right or not
If supersymmetry is right, then at an energyof about 1016 GeV, the three forces areequal in strength
At kBT = 1016 GeV, there will be anotherphase transition – the Grand Unificationtransition
NoSupersymmtery
WithSupersymmtery
Baryogenesis might occur at this scale
Scale could be right for inflation
Summary of Events:
EventkBT or TTime
Grand Unification1016 GeV10-39 s
Supersymmetry Scale500 GeV10-12 s
Electroweak Scale 50 GeV10-10 s
Quark Confinement150 MeV1.410-5 s
Neutrinos Decouple1 MeV0.4 s
Neutron/Proton freezeout0.7 MeV1.5 s
Electron/Positron Annihilate170 keV30 s
Primordial Nucleosynthesis80 keV200 s
Matter/Radiation Equality0.76 eV57 kyr
Recombination0.26 eV380 kyr
Structure formation30 K500 Myr
Now2.725 K13.75 Gyr