I fisici individuano la reazione nucleare da momenti dopo il Big Bang
In un laboratorio appartato sepolto sotto una montagna in Italia, i fisici hanno ricreato una reazione nucleare avvenuta tra due e tre minuti dopo il Big Bang.
La loro misurazione della velocità di reazione, pubblicata oggi su Nature , inchioda il fattore più incerto in una sequenza di passaggi nota come nucleosintesi del Big Bang che ha forgiato i primi nuclei atomici dell'universo.
I ricercatori sono "al settimo cielo" per il risultato, secondo Ryan Cooke , un astrofisico della Durham University nel Regno Unito che non era coinvolto nel lavoro. "Ci saranno molte persone interessate alla fisica delle particelle, alla fisica nucleare, alla cosmologia e all'astronomia", ha detto.
La reazione coinvolge il deuterio, una forma di idrogeno costituito da un protone e un neutrone che si sono fusi entro i primi tre minuti del cosmo. La maggior parte del deuterio si è rapidamente fusa in elementi più pesanti e stabili come l'elio e il litio. Ma alcuni sono sopravvissuti fino ai giorni nostri. "Hai pochi grammi di deuterio nel tuo corpo, che proviene dal Big Bang", ha detto Brian Fields , astrofisico presso l'Università dell'Illinois, Urbana-Champaign.
La quantità precisa di deuterio che rimane rivela dettagli chiave su quei primi minuti, inclusa la densità di protoni e neutroni e la velocità con cui sono stati separati dall'espansione cosmica. Il deuterio è "uno speciale super-testimone di quell'epoca", ha detto Carlo Gustavino, astrofisico nucleare presso l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.
Ma i fisici possono dedurre queste informazioni solo se conoscono la velocità con cui il deuterio si fonde con un protone per formare l'isotopo elio-3. È questo il tasso che la nuova misurazione della collaborazione del Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics ( LUNA ) ha fissato.
La prima sonda dell'universo
La creazione del deuterio è stato il primo passo nella nucleosintesi del Big Bang, una sequenza di reazioni nucleari che si sono verificate quando il cosmo era una zuppa di protoni e neutroni super calda ma in rapido raffreddamento.
A partire dagli anni '40 , i fisici nucleari hanno sviluppato una serie di equazioni interconnesse che descrivono come i vari isotopi di idrogeno, elio e litio si sono assemblati come nuclei uniti e assorbiti protoni e neutroni. (Elementi più pesanti sono stati forgiati molto più tardi all'interno delle stelle.) Da allora i ricercatori hanno testato la maggior parte degli aspetti delle equazioni replicando le reazioni nucleari primordiali nei laboratori.
In tal modo, hanno fatto scoperte radicali. I calcoli hanno offerto alcune delle prime prove della materia oscura negli anni '70. La nucleosintesi del Big Bang ha anche consentito ai fisici di prevedere il numero di diversi tipi di neutrini, che hanno contribuito a guidare l'espansione cosmica.
Ma da quasi un decennio , l'incertezza sulla probabilità del deuterio di assorbire un protone e trasformarsi in elio-3 ha appannato l'immagine dei primi minuti dell'universo. Ancora più importante, l'incertezza ha impedito ai fisici di confrontare quell'immagine con l'aspetto del cosmo 380.000 anni dopo, quando l'universo si è raffreddato abbastanza da consentire agli elettroni di iniziare a orbitare attorno ai nuclei atomici. Questo processo ha rilasciato una radiazione chiamata fondo cosmico a microonde che fornisce un'istantanea dell'universo in quel momento.
I cosmologi vogliono verificare se la densità del cosmo è cambiata da un periodo all'altro come previsto sulla base dei loro modelli di evoluzione cosmica. Se le due immagini non sono d'accordo, "sarebbe una cosa davvero molto importante da capire", ha detto Cooke. Soluzioni a problemi cosmologici ostinatamente persistenti – come la natura della materia oscura – potrebbero essere trovate in questa lacuna, così come i primi segni di nuove particelle esotiche. "Molto può accadere tra uno o due minuti dopo il Big Bang e diverse centinaia di migliaia di anni dopo il Big Bang", ha detto Cooke.
Ma l'importantissima velocità di reazione del deuterio che consentirebbe ai ricercatori di fare questo tipo di confronti è molto difficile da misurare. "Stai simulando il Big Bang in laboratorio in modo controllato", ha detto Fields.
I fisici hanno tentato l' ultima misurazione nel 1997 . Da allora, le osservazioni del fondo cosmico a microonde sono diventate sempre più precise, esercitando pressioni sui fisici che studiano la nucleosintesi del Big Bang affinché corrispondano a tale precisione, consentendo così un confronto tra le due epoche.
Nel 2014, Cooke e coautori hanno misurato con precisione l'abbondanza di deuterio nell'universo attraverso osservazioni di nubi di gas lontane. Ma per tradurre questa abbondanza in una previsione precisa della densità della materia primordiale, avevano bisogno di una misura molto migliore della velocità di reazione del deuterio.
A confondere ulteriormente la situazione, una stima puramente teorica del tasso, pubblicata nel 2016, non era d'accordo con la misurazione di laboratorio del 1997.
"Era uno scenario molto confuso", ha detto Gustavino, che è un membro della collaborazione LUNA. "A questo punto sono diventato invadente con la collaborazione … perché LUNA poteva misurare esattamente questa reazione."
Una combinazione rara
Parte della sfida nel misurare la prontezza con cui il deuterio si fonde con un protone è che, in condizioni di laboratorio, la reazione non avviene molto spesso. Ogni secondo, l'esperimento LUNA spara 100 trilioni di protoni contro un bersaglio di deuterio. Solo pochi al giorno si fonderanno.
In aggiunta alla difficoltà, i raggi cosmici che piovono costantemente sulla superficie terrestre possono imitare il segnale prodotto dalle reazioni del deuterio. "Per questo motivo, siamo in un laboratorio sotterraneo dove, grazie alla copertura rocciosa, possiamo beneficiare del silenzio cosmico", ha detto Francesca Cavanna , che ha guidato la raccolta e l'analisi dei dati di LUNA insieme a Sandra Zavatarelli .
In tre anni, gli scienziati si sono alternati trascorrendo turni di una settimana in un laboratorio nelle profondità del Gran Sasso in Italia. "È eccitante perché senti davvero di essere dentro la scienza", ha detto Cavanna. Man mano che raccoglievano dati, la pressione aumentava dalla più ampia comunità di fisici. “C'era molta attesa; c'era molta attesa ”, ha detto Marialuisa Aliotta , membro del team.
A quanto pare, la misurazione appena pubblicata dal team potrebbe rappresentare una delusione per i cosmologi alla ricerca di crepe nel loro modello di come funziona l'universo.
Piccoli passi
La velocità misurata – che indica quanto velocemente il deuterio tende a fondersi con un protone per formare elio-3 nell'intervallo di temperature riscontrato nell'epoca della nucleosintesi primordiale – è atterrato tra la previsione teorica del 2016 e la misurazione del 1997. Ancora più importante, quando i fisici inseriscono questo tasso nelle equazioni della nucleosintesi del Big Bang, predicono una densità di materia primordiale e un tasso di espansione cosmica che sono molto simili alle osservazioni del fondo cosmico a microonde 380.000 anni dopo.
"In sostanza, ci dice che il modello standard di cosmologia è, finora, del tutto corretto", ha detto Aliotta.
Questo di per sé riduce il divario in cui devono inserirsi i modelli del cosmo di prossima generazione. Gli esperti dicono che alcune teorie sulla materia oscura potrebbero persino essere escluse dai risultati.
È meno eccitante delle prove a favore di nuovi ingredienti o effetti cosmici esotici. Ma in quest'era di astronomia di precisione, ha detto Aliotta, gli scienziati procedono "facendo piccoli passi". Fields ha concordato: "Cerchiamo costantemente di fare meglio dal lato della previsione, dal lato della misurazione e dal lato dell'osservazione".
All'orizzonte c'è la prossima generazione di misurazioni del fondo cosmico a microonde. Nel frattempo, con il comportamento del deuterio ora meglio compreso, le incertezze in altre reazioni nucleari primordiali e nelle abbondanze elementari diventano più pressanti.
Secondo Fields, una nota di lunga data "vola nell'unguento per la nucleosintesi del Big Bang" è che la densità della materia calcolata dal deuterio e dal fondo cosmico a microonde predice che dovrebbe esserci tre volte più litio nell'universo di quanto effettivamente osserviamo.
"Ci sono ancora molte incognite", ha detto Aliotta. "E quello che porterà il futuro sarà molto interessante."
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/physicists-pin-down-nuclear-reaction-from-moments-after-the-big-bang-20201111/ in data Wed, 11 Nov 2020 16:00:27 +0000.