Interdisciplinary study of the synthesis of the origin of the chemical elements and their role in the formation and structure of the Earth

5.1. Big Bang nucleosynthesis
The Big Bang formulation, and its consistency with ob-
servations regarding ”primordial” elements, is considered
an important pillar of modern science [18]. Moreover,
its predictions for the nucleosynthesis yields are one of
consequences that has contributed to consolidate the Big
Bang as a viable model, not just a myth-like proposal.
The Big Bang is nothing but an early dense, hot state
that the present Universe underwent billions of years ago.
Actually, the very first instants (below a tiny fraction
of a second) comprise a sequence of physical transfor-
mation of the matter content while the temperature
and density dropped from gigantic values. Before a tem-
perature of
∼
10
12
K
, it is accepted that not even the
ordinary particles (electrons excluded) constituting our
physical world (protons and neutrons) existed. They were
rather ”dissolved” into their fundamental constituents,
quarks
and
gluons
, which have been probed inside them
in contemporary laboratory experiments. The Universe
”freezes” from a quark-gluon soup to a gas of protons
and neutrons in a phase transition at that borderline
temperature. From this point on, the Universe evolves
with a content of ordinary protons and neutrons (and
electrons, of course), but their ambient temperature is
still very high and quenches the formation of nuclei out
of them. A general condition for nuclei to form is that
the thermal energy of the protons and neutrons that are
going to fuse is of the order of the binding energy of a
nucleus, that is
k
B
T
U
≈
1
M eV,
(3)
(actually, the reactions start at lower temperatures, since
there are very energetic particles for a given temperature
that can break the forming nuclei). This equality can be
expressed in IS units as
T
U
≈
(0
.
1
M eV
)
/k
B
∼
10
9
K
.
(4)
This is the temperature at which the nucleosynthesis
can start. When the Universe became cold enough for
protons and primordial neutrons to form nuclei, this
”assembly” (fusion) of nuclei took place while the ex-
pansion allowed it to (Figure 4). However, the density
of protons and neutrons quickly became low enough to
interrupt
the building of heavier nuclei in the primor-
dial nucleosynthesis, helped by an important fact: the
absence of stable nuclei with
A
= 5
and
A
= 8
(a fact
of the Periodic Table). Therefore, when the primordial
nucleosynthesis buildup encountered this ”bottleneck”,
the fusion sequence was truncated with a very small
production of
7
Li
(of the order of
10
−
5
of hydrogen) and
just traces of
9
Be
. Moreover, it is well established that
at the moment the cosmic temperature dropped to the
point that nuclei could be assembled, the number of pro-
tons was about 7 times the number of neutrons. Thus,
out of 8 nucleons, 6 did not have a ”partner”, while the
other two (one proton and one neutron) formed a bound
state which later followed its evolution to form helium.
Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 42, e20200160, 2020
DOI: https://doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2020-0160

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Horvath et al.
e20200160-7