Gli astrofisici nucleari hanno creato con successo il primo raggio di accelerazione di particelle a bassa energia in profondità negli Stati Uniti, avvicinandoli di un passo alla comprensione di come sono costruiti gli elementi del nostro universo.

Attraverso il progetto, denominato CASPAR (Compact Accelerator System for Performing Astrophysical Research), i ricercatori ricreeranno i processi di fusione nucleare responsabili della generazione di energia e della produzione di elementi nelle stelle, per capire di più su come bruciano le stelle e quali elementi creano mentre lo fanno.

CASPAR è uno dei due soli acceleratori sotterranei al mondo, situato presso il Sanford Underground Research Facility (SURF), in piombo, Sud Dakota.

L'altro, il Laboratorio di Astrofisica Nucleare Sotterranea (LUNA) si trova in Italia, vicino al Gran Sasso.

"Installare e far funzionare gli acceleratori nel sottosuolo è una sfida considerevole, " ha detto Michael Wiescher, Freimann Professore di Fisica Nucleare all'Università di Notre Dame. "CASPAR è unico poiché copre una gamma di energia più ampia rispetto all'acceleratore LUNA. Ci consente, per la prima volta, per esplorare le reazioni di combustione dell'elio stellare, che si svolgono in stelle come Betelgeuse, in condizioni di laboratorio. Attraverso questi studi, impareremo a conoscere l'origine dell'ossigeno e del carbonio come gli ingredienti più importanti della vita biologica nell'universo, e impareremo a conoscere i meccanismi che le stelle hanno sviluppato per produrre elementi gradualmente più pesanti attraverso i processi di fusione dei neutroni".

Wiescher e l'assistente alla ricerca Professor Dan Robertson guidano il team di Notre Dame, lavorando in collaborazione con ricercatori della South Dakota School of Mines and Technology e della Colorado School of Mines.

"La complessità dello spostamento di un impianto di accelerazione in profondità nel sottosuolo è ampiamente superata dai potenziali benefici quando si ricreano reazioni nucleari di interesse astrofisico, " ha detto Robertson. "Attualmente, una quantità significativa delle informazioni che abbiamo sulle reazioni che avvengono nelle condizioni esatte all'interno di una stella può essere estrapolata solo da dati in altri intervalli di energia. Ciò è principalmente dovuto al fatto che la probabilità di quella reazione è così piccola, e senza materiale degno di una stella con cui giocare, è difficile da misurare quando si compete con lo sfondo cosmico. Speriamo di misurare direttamente le reazioni chiave negli scenari di produzione elementare, fornendo approfondimenti sul loro comportamento e aiutando a capire come e dove è stato prodotto il materiale nella nostra vita quotidiana".

L'acceleratore di particelle a bassa energia da 50 piedi è stato assemblato 4, 850 piedi sotto terra nell'agosto 2015 ed è stato trasportato a pezzi dalla sua casa originale a Notre Dame. I ricercatori hanno caricato i pezzi in un ascensore a gabbia e li hanno spostati nello spazio sperimentale nell'ex miniera d'oro di Homestake tramite il carrello della miniera. Portare il progetto sottoterra lo protegge dalle radiazioni cosmiche a cui la Terra è costantemente esposta, che possono interferire con esperimenti di fisica altamente sensibili.

"Questo tipo di studi necessita di un ambiente privo di raggi cosmici come fornito solo in luoghi come SURF, ", ha detto Wiescher.

La fusione nucleare che avviene all'interno di una stella è ciò che crea gli elementi necessari alla vita. Stelle più vecchie, nato intorno al periodo del Big Bang, composto da pochissimi elementi, mentre le stelle più giovani includono un accumulo di elementi più pesanti come piombo e oro.

Comprendere l'accumulo di elementi è solo una delle tante domande che i ricercatori sperano di poter rispondere attraverso una serie di esperimenti CASPAR.

Con le operazioni in corso, il team prevede di iniziare la raccolta dei dati in autunno.