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 l’11 novembre su Nature, inchioda il fattore più incerto in una sequenza di passaggi nota come nucleosintesi del Big Bang. Essa 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 è stato coinvolto nel lavoro. “Esistono 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 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 sarebbero 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 rimasta rivela dettagli chiave su quei primi minuti. I ricercatori conoscono la densità di protoni e neutroni e la velocità con cui sono stati separati dall’espansione cosmica. Il deuterio rappresenta “uno speciale super-testimone di quell’epoca“, ha detto Carlo Gustavino, astrofisico nucleare dell’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.
Reazione nucleare dopo il Big Bang: la prima sonda dell’Universo
La nucleosintesi inizia con la creazione del deuterio. Parliamo dunque di una sequenza di reazioni nucleari verificate quando il cosmo era un ammasso di protoni e neutroni super caldo ma in rapido raffreddamento. A partire dagli anni ’40, i fisici nucleari hanno sviluppato una serie di equazioni interconnesse. Esse descrivono come i vari isotopi di idrogeno, elio e litio si sono assemblati come nuclei uniti e assorbiti protoni e neutroni. Gli elementi più pesanti si sarebbero formati molto più tardi all’interno delle stelle. Da allora i ricercatori hanno testato la maggior parte degli aspetti delle equazioni replicando la reazione nucleare primordiale 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 ormai, 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, cioè quando l’uUiverso 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 cambia da un periodo all’altro come previsto sulla base dei loro modelli di evoluzione cosmica. Se le due immagini non combaciano, sarebbe interessante da capire, ha detto Cooke. Potrebbero capire la natura della materia oscura e tante altre cose. La difficoltà, però, consiste nel simulare in Big Bang in modo controllato in un laboratorio.
Fonte immagine copertina: Pixabay
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