SOTTO AL GRAN SASSO UN PICCOLO BIG BANG

Alla ricerca del litio perduto

L’esperimento LUNA, condotto nei Laboratori nazionali del Gran Sasso dell’INFN, conferma che la teoria della nucleosintesi primordiale è corretta: il litio prodotto all’epoca del Big Bang non corrisponde a quello che osserviamo oggi. Fra gli autori dello studio, Oscar Straniero dell’INAF

Michael Anders, primo autore dello studio, accanto all'acceleratore LUNA sotto al Gran Sasso. Crediti: HZDR/M. Anders

Michael Anders, primo autore dello studio, accanto all’acceleratore LUNA sotto al Gran Sasso. Crediti: HZDR/M. Anders

Alla fine ha ragione The Big Bang Theory. E non parliamo della popolarissima sitcom, bensì della teoria sulla nucleosintesi primordiale (BBN): il processo di sintesi degli elementi – o meglio, dei loro nuclei – che ha avuto inizio pochi istanti dopo il Big Bang. Una teoria con un problema imbarazzante di nome litio. Anzi, due problemi. Come due sono, in natura, gli isotopi di questo elemento: litio-7, la varietà più comune, e litio-6. Problema numero uno: nelle stelle si osserva troppo poco litio-7, meno della metà di quanto vorrebbe la teoria. Problema numero due: di litio-6, al contrario, le osservazioni ne registrano una quantità migliaia di volte superiore a quanto atteso. Al che sorge un dubbio: ma non è che c’è un errore nella teoria? Teoria che magari calcola in modo errato il rapporto fra le due varietà di litio – quella che gli scienziati chiamano abbondanza isotopica – prodotte durante la nucleosintesi primordiale?

Proprio per valutare la validità di questa ipotesi, che se confermata potrebbe risolvere in un colpo solo entrambi i problemi del litio, gli scienziati della collaborazione internazionale LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics), molti dei quali fisici dell’INFN, hanno ricreato in laboratorio condizioni di energia paragonabili a quelle presenti poco dopo il Big Bang. In particolare, hanno studiato per la prima volta le condizioni che portano alla sintesi del litio-6, visto che quelle relative al litio-7 già erano state indagate – sempre dalla collaborazione LUNA – nel 2006. Utilizzando un acceleratore di particelle da 400 kV posto nelle viscere del Gran Sasso, così da essere protetto dal rumore dei raggi cosmici da 1400 metri di solida roccia, hanno sparato nuclei di elio contro nuclei di deuterio.

I risultati, pubblicati su Physical Review Letters da un team guidato da Michael Anders dello Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, non lasciano molto spazio a dubbi: i dati raccolti danno ragione alle previsioni teoriche, per quanto queste siano incompatibili con le concentrazioni di litio osservate fino a oggi nell’Universo. Detto altrimenti, di litio-6 la nucleosintesi primordiale ne ha prodotto poco o nulla, proprio come dice la teoria, dunque possiamo dire addio alla spiegazione semplice e allettante messa alla prova dall’esperimento.

Rimane così aperto il problema del litio-6, ma soprattutto quello del litio-7, che si conferma l’enigma numero uno. Escludendo che possa esser finito tutto nelle pur innumerevoli batterie dei nostri cellulari, il suo latitare si conferma una spina nel fianco di quelle che mettono in difficoltà. Anche perché nemmeno sappiamo in quale dei due fianchi: quello degli astrofisici che ancora non lo riescono a trovare, o quello dei fisici teorici che ancora non sono riusciti a mettere a punto una teoria capace di spiegarne la carenza?

«Una possibilità è che le stelle, in qualche modo, “nascondano” il litio, per esempio attraverso processi di sedimentazione gravitazionale», dice Oscar Straniero dell’INAF di Teramo, fra i coautori dell’articolo e “anima astrofisica” della collaborazione. «Si tratta di stelle molto vecchie, attorno ai 13 miliardi di anni, dunque non è escluso che in un tempo così lungo parte del litio, insieme ad altri elementi, possa essersi sedimentato giù nel nucleo, così che negli spettri da noi osservati se ne veda di meno».

«Un’altra possibilità, quella forse più intrigante», continua Straniero, «è invece che la fisica del Modello standard non sia del tutto corretta. I calcoli che prevedono questa discrepanza sono infatti calcoli basati sul Modello standard. Se dunque ci fosse una fisica che ancora non conosciamo che possa aver in qualche modo influenzato i processi di nucleosintesi primordiali, e dunque alterato in questo caso specifico la produzione di litio-7, ecco che ci troveremmo innanzi all’aspetto più interessante: cercare di capire che fisica ci stiamo perdendo».

Le domande restano dunque più aperte che mai, e gli esperimenti vanno avanti. Per LUNA, in particolare, i potenziali sviluppi futuri sono almeno due. Uno a Dresda, presso l’acceleratore “Felsenkeller”, dove sta per entrare in attività un nuovo laboratorio per proseguire gli esperimenti della collaborazione. E l’altro, invece, sempre nei Laboratori del Gran Sasso, con il progetto Luna Megavolt, un’evoluzione dell’attuale acceleratore.

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