Poco dopo il Big Bang, atomi radioattivi del tipo berillio-7, tra gli altri, venuto in essere. Oggi, in tutto l'universo, sono da tempo decaduti e non si verificano naturalmente, in contrasto con il loro prodotto di decadimento litio. Ora i ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI hanno aiutato a comprendere meglio i primi minuti dell'universo:hanno raccolto il berillio-7 prodotto artificialmente e ne hanno fatto un campione che potrebbe essere studiato. Il berillio-7 è stato successivamente sondato dai ricercatori del CERN. Lo studio congiunto del PSI, CERN, e 41 altri istituti di ricerca affrontano il cosiddetto problema cosmologico del litio:esiste una marcata discrepanza tra la quantità di litio che la teoria del Big Bang prevede dovrebbe essere nell'universo e la quantità di litio effettivamente osservata. Secondo il presente studio, ora sembra più probabile che la causa di questo problema cosmologico del litio risieda nella descrizione teorica dell'origine dell'universo. La comunità scientifica dovrà quindi continuare a cercare una soluzione al problema cosmologico del litio. I ricercatori hanno ora pubblicato i loro risultati sulla rivista Lettere di revisione fisica .

I ricercatori del Paul Scherrer Institute hanno fornito un pezzo di puzzle conquistato a fatica per una migliore comprensione dell'origine dell'universo:sono stati in grado di produrre un campione di atomi estremamente rari e di breve durata dell'isotopo berillio-7. Successivamente, al CERN, è stato possibile sondare questo berillio-7 – in pratica, la sua interazione con i neutroni, con molta più precisione che mai.

Poiché attraverso il suo decadimento radioattivo il berillio-7 diventa litio-7, studiarlo può aiutare a risolvere un problema fondamentale della teoria del Big Bang:la teoria prevede una quantità da tre a quattro volte maggiore di litio nell'universo rispetto a quanto mostrano le misurazioni effettive. Questo cosiddetto problema cosmologico del litio è uno degli ultimi grandi enigmi dell'attuale teoria dell'origine dell'universo, perché per tutti gli altri elementi prodotti poco dopo il Big Bang, la teoria si conforma bene ai dati misurati.

Praticamente tutto il litio-7 attuale nell'universo proviene dal berillio-7 decaduto che a sua volta si è formato poco dopo il big bang. Così i ricercatori stavano esaminando la questione se all'inizio potesse esserci stato meno berillio di quanto si credesse in precedenza, che potrebbe chiarire il problema cosmologico del litio. Una delle ultime possibilità ancora aperte da verificare era la cosiddetta sezione d'urto di cattura di neutroni del berillio-7. Questo valore predice la probabilità che un nucleo atomico di berillio-7 catturi un neutrone libero e successivamente decada.

"La sezione d'urto di cattura dei neutroni del berillio-7 è stata misurata l'ultima volta, in modo impreciso al confronto, circa 50 anni fa, " spiega la ricercatrice del PSI Dorothea Schumann, capo del gruppo di ricerca Isotope and Target Chemistry. Questa figura chiave dovrebbe ora essere indagata al CERN, più preciso che mai. Il campione di berillio-7 necessario per questo è stato fornito dai ricercatori del PSI.

Anni di preparazione e test run

La produzione e la misurazione del campione di berillio-7 è stata come una rappresentazione teatrale di una volta, per il quale i ricercatori hanno dovuto svolgere circa tre anni di lavoro preparatorio e prove. Il berillio-7 scompare così rapidamente per decadimento radioattivo che la sua quantità si riduce della metà circa ogni 53 giorni. Quindi tutto doveva essere in posizione prima della corsa effettiva sia al PSI che al CERN, nonché per il trasporto tra le due istituzioni, in modo che tra la produzione del campione e la misurazione trascorresse il minor tempo possibile.

L'idea per l'esperimento è nata nel 2012. La ricercatrice del PSI Schumann sapeva di poter estrarre il raro berillio-7 dall'acqua di raffreddamento della Swiss Spallation Neutron Source SINQ, che opera al PSI per esperimenti con fasci di neutroni.

"Qui al PSI, con SINQ e le altre grandi strutture di ricerca, abbiamo fonti uniche per la raccolta di isotopi radioattivi rari, " dice Schumann. "Per i ricercatori che gestiscono e utilizzano queste strutture, questi isotopi sono un sottoprodotto, ma per molti altri istituti di ricerca, sono molto utili e urgenti." Come i cercatori d'oro, Schumann e il suo gruppo di ricerca estraggono questi rari isotopi. "E poi agiamo come interfaccia con altri ricercatori al di fuori del PSI che sono interessati a campioni arricchiti di questi isotopi".

Il CERN è interessato

I ricercatori del CERN hanno mostrato interesse nell'ottenere un campione di berillio-7. "Con esso, sapevano di poter affrontare il problema cosmologico del litio, "Spiega Schumann.

Così Schumann e il suo team hanno iniziato i preparativi:All'interno del PSI, Schumann ha preso contatto con gli scienziati e gli ingegneri che gestiscono SINQ. All'acqua di raffreddamento di SINQ è stato collegato uno speciale sistema di filtraggio conforme alle specifiche dei ricercatori sugli isotopi, che potrebbe raccogliere materiale contenente una quantità adeguata di berillio-7 in un periodo di circa tre settimane. "Al laico, il nostro filtro può essere considerato abbastanza simile al familiare filtro domestico per l'acqua del rubinetto, "dice Stephan Heinitz, scienziato nel gruppo di ricerca di Schumann.

Quindi, tra l'altro, i materiali così raccolti dovevano essere separati chimicamente. "Ciò richiede competenze speciali - che fortunatamente abbiamo nel mio gruppo di ricerca, " dice Schumann. Tuttavia, questa procedura ha richiesto un'altra settimana e doveva essere eseguita, per la protezione dalle radiazioni del materiale, in una cosiddetta cella calda – un laboratorio allestito per la manipolazione di materiali radioattivi.

Un peso di trasporto di 800 chilogrammi

Da li, il campione concentrato di berillio-7 doveva essere trasferito in un supporto adatto, e questo a sua volta in un apparato delle dimensioni di una pentola, che soddisfaceva le specifiche per l'uso nella configurazione sperimentale al CERN. "L'apparato così come i contenitori a prova di radiazioni per il trasferimento del materiale - tutto era su misura, " racconta Emilio Maugeri, un altro ricercatore del gruppo di Schumann.

Finalmente, dovevano essere organizzati e approvati accordi per trasportare un carico pesante di materiali radioattivi dal PSI al CERN.

"Il campione effettivo che abbiamo consegnato al CERN conteneva solo pochi milionesimi di grammo di berillio-7, " spiega Schumann. "Ma la schermatura necessaria ha portato il peso del trasporto fino a 800 chilogrammi".

All'interno del periodo di tempo critico, tutto è riuscito secondo i piani. I ricercatori del CERN sono stati in grado di eseguire l'esperimento con il campione PSI e determinare la sezione trasversale di cattura dei neutroni del berillio-7, finora insufficientemente nota.

Il problema cosmologico del litio rimane irrisolto

Gli scienziati del CERN e del PSI e i loro collaboratori di altre 41 istituzioni di ricerca erano particolarmente interessati a un particolare percorso di decadimento del berillio-7:la probabilità di un processo mediante il quale un nucleo atomico di berillio-7 intrappola un neutrone libero, ovvero, una particella elementare senza carica netta. Allo stesso tempo uno dei protoni lascia il nucleo di berillio. Così, poiché il nucleo ora contiene un protone in meno (e un neutrone in più), l'atomo di berillio si trasforma in un atomo dell'elemento litio:diventa litio-7. La cosiddetta sezione d'urto di cattura di neutroni, ovvero la probabilità di questo intero processo dipende dall'energia che ha il neutrone libero. Pertanto i ricercatori hanno approfittato della possibilità al CERN di variare l'energia dei neutroni, e hanno fatto una serie di misurazioni per un'ampia gamma di energie dei neutroni.

Eppure queste ultime misurazioni della sezione d'urto di cattura dei neutroni non hanno risolto il problema cosmologico del litio. Schumann dice, "Con le nuove misure, i ricercatori del CERN sono stati in grado di determinare la sezione d'urto di cattura dei neutroni in modo così preciso che ora è chiaro:il problema cosmologico del litio non può essere risolto in questo modo; persiste ancora. La comunità scientifica dovrà continuare a cercare una spiegazione".