LA DISCREPANZA TRA TEORIA E OSSERVAZIONI SI È RIDOTTA DEL 10 PER CENTO

Si restringe il divario sul litio mancante

Esiste una discrepanza significativa tra le quantità teoriche e osservate di litio nell’universo, nota come problema cosmologico del litio, che affligge i cosmologi da decenni. Ora, un gruppo di ricercatori ha ridotto questa discrepanza di circa il 10 per cento, grazie a un nuovo esperimento sui processi nucleari responsabili della creazione del litio. Lo studio pubblicato su ApJL potrebbe indicare la strada per una comprensione più completa dell'universo primordiale

     02/07/2021
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Quando un fascio di berillio entra da sinistra, il deuterone cavallo di Troia lo intercetta sul bersaglio e consegna il suo neutrone. Questo permette ai prodotti del decadimento delle reazioni di berillio e neutroni di essere catturati da un array curvo di sei rivelatori, sulla destra. Crediti: Hayakawa et al.

Secondo un famoso detto, “in teoria, non c’è differenza tra teoria e pratica; in pratica c’è”. Questo vale in ogni ambito accademico, ma è particolarmente comune in cosmologia, la scienza che studia l’universo nel suo insieme, dove ciò che pensiamo di dover vedere e ciò che realmente vediamo non sempre corrispondono. Ciò è in gran parte dovuto al fatto che molti fenomeni cosmologici sono difficili da studiare a causa della loro inaccessibilità, essendo fuori dalla nostra portata per via delle enormi distanze coinvolte, o perché si sono verificati ben prima che il cervello umano si fosse evoluto per preoccuparsene – come nel caso del Big Bang, che rappresenta il più antico evento per il quale è possibile confrontare la predizione teorica con i dati osservativi.

Seiya Hayakawa e Hidetoshi Yamaguchi del Center for Nuclear Study dell’Università di Tokyo, insieme a un team internazionale di ricercatori del quale fanno parte anche diversi ricercatori italiani dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), sono particolarmente interessati a un’area della cosmologia in cui teoria e osservazione sono piuttosto disallineate: il problema del litio mancante, noto come problema cosmologico del litio (Clp). In breve, la teoria prevede che nei minuti successivi al Big Bang – che ha originato tutta la materia dell’universo – dovrebbe esserci stata un’abbondanza di litio circa tre volte superiore a quella che effettivamente osserviamo. Utilizzando un approccio sperimentale, Hayakawa e il suo team hanno spiegato parte di questa discrepanza, aprendo la strada a ricerche che un giorno potrebbero risolverla del tutto.

«13.7 miliardi di anni fa, mentre la materia si creava dall’energia del Big Bang, gli elementi leggeri comuni che tutti conosciamo – idrogeno, elio, litio e berillio – si sono formati in un processo che viene chiamato nucleosintesi del Big Bang (Bbn)», spiega Hayakawa. «Tuttavia, la Bbn non è una semplice catena di eventi in cui una cosa diventa un’altra in sequenza; è in realtà una complessa rete di processi in cui un miscuglio di protoni e neutroni costruisce nuclei atomici e alcuni di questi decadono in altri nuclei. Ad esempio, l’abbondanza di una forma di litio – o isotopo, il litio-7 – deriva principalmente dalla produzione e dal decadimento del berillio-7. Ma o è stato sovrastimato in teoria, o sottostimato nella realtà, oppure una combinazione dei due. Questa discrepanza deve essere risolta per capire davvero cosa sia successo».

Il litio-7 è l’isotopo più comune del litio, rappresentando il 92.5 per cento del litio osservato. Tuttavia, anche se i modelli più accreditati della nucleosintesi del Big Bang prevedono le quantità relative di tutti gli elementi coinvolti nella nucleosintesi stessa con estrema precisione, la quantità prevista di litio-7 è circa tre volte maggiore di quella effettivamente osservata. Ciò significa che dev’esserci una lacuna nelle nostre conoscenze sulla formazione dell’universo primordiale. Esistono diversi approcci teorici e osservativi che puntano a risolvere questo problema, ma Hayakawa e il suo team hanno simulato le condizioni durante la Bbn utilizzando fasci di particelle, rilevatori e un metodo osservativo noto come cavallo di Troia.

«Abbiamo indagato, come non era mai stato fatto in precedenza, una delle reazioni della nucleosintesi del Big Bang, nella quale il berillio-7 e un neutrone decadono in litio-7 e un protone. I livelli di abbondanza di litio-7 sono risultati leggermente inferiori al previsto, circa il 10 per cento in meno», ha affermato Hayakawa. «Si tratta di una reazione molto difficile da osservare dal momento che il berillio-7 e i neutroni sono instabili. Quindi abbiamo usato il deuterone, un nucleo di idrogeno con un neutrone in più, come una nave per contrabbandare un neutrone in un fascio di berillio-7 senza disturbarlo. È una tecnica originale, sviluppata da un gruppo italiano con cui collaboriamo, in cui il deuterone si comporta come il cavallo di Troia nel mito greco, e il neutrone è il soldato che si insinua nell’inespugnabile città di Troia senza essere visto dall’esercito, destabilizzandolo (e destabilizzando il campione). Grazie al nuovo risultato sperimentale, possiamo offrire ai futuri ricercatori teorici un compito leggermente meno arduo quando si tenta di risolvere il Clp».

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