Reacción nuclear justo después del Big Bang

La nueva velocidad medida de un proceso clave de fusión nuclear que forjó los primeros núcleos atómicos coincide con la imagen del universo 380.000 años después.

por THOMAS LEWTO N

Reacción nuclear justo después del Big Bang
Los físicos del Laboratorio de Astrofísica Nuclear Subterránea en Italia dispararon un haz de protones (rosa) a un objetivo de deuterio y midieron la velocidad de fusión. 
FOTOGRAFÍA: YURY SUVOROV

EN UN AISLADO laboratorio enterrado bajo una montaña en Italia, los físicos han recreado una reacción nuclear que ocurrió entre dos y tres minutos después del Big Bang.

Su medición de la velocidad de reacción, publicada el 11 de noviembre en Nature, determina el factor más incierto en una secuencia de pasos conocida como nucleosíntesis del Big Bang que forjó los primeros núcleos atómicos del universo.

Los investigadores están “en la luna” sobre el resultado, según Ryan Cooke, un astrofísico de la Universidad de Durham en el Reino Unido que no participó en el trabajo. “Habrá muchas personas interesadas en la física de partículas, la física nuclear, la cosmología y la astronomía”, dijo.

La reacción involucra deuterio, una forma de hidrógeno que consta de un protón y un neutrón que se fusionaron en los primeros tres minutos del cosmos. La mayor parte del deuterio se fusionó rápidamente en elementos más pesados ​​y estables como el helio y el litio. Pero algunos sobrevivieron hasta nuestros días. “Tienes unos pocos gramos de deuterio en tu cuerpo, que proviene del Big Bang”, dijo Brian Fields, astrofísico de la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign.

La cantidad precisa de deuterio que queda revela detalles clave sobre esos primeros minutos, incluida la densidad de protones y neutrones y la rapidez con la que se separaron por la expansión cósmica. El deuterio es “un supertestigo especial de esa época”, dijo Carlo Gustavino, astrofísico nuclear del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia.

Pero los físicos solo pueden deducir esos datos si conocen la velocidad a la que el deuterio se fusiona con un protón para formar el isótopo helio-3. Es este ritmo el que ha determinado la nueva medición realizada por la colaboración del Laboratorio de Astrofísica Nuclear Subterránea (LUNA).La sonda más antigua del universo

La creación del deuterio fue el primer paso en la nucleosíntesis del Big Bang, una secuencia de reacciones nucleares que ocurrieron cuando el cosmos era una sopa de protones y neutrones súper caliente pero que se enfriaba rápidamente.

A partir de la década de 1940 , los físicos nucleares desarrollaron una serie de ecuaciones entrelazadas que describen cómo varios isótopos de hidrógeno, helio y litio se ensamblan como núcleos que se fusionan y absorben protones y neutrones. (Los elementos más pesados ​​se forjaron mucho más tarde dentro de las estrellas). Desde entonces, los investigadores han probado la mayoría de los aspectos de las ecuaciones replicando las reacciones nucleares primordiales en los laboratorios.

Al hacerlo, hicieron descubrimientos radicales. Los cálculos ofrecieron algunas de las primeras pruebas de materia oscura en la década de 1970. La nucleosíntesis del Big Bang también permitió a los físicos predecir la cantidad de diferentes tipos de neutrinos, lo que ayudó a impulsar la expansión cósmica.

Pero desde hace casi una década, la incertidumbre sobre la probabilidad de que el deuterio absorba un protón y se convierta en helio-3 ha empañado la imagen de los primeros minutos del universo. Lo más importante es que la incertidumbre ha impedido a los físicos comparar esa imagen con el aspecto del cosmos 380.000 años después, cuando el universo se enfrió lo suficiente como para que los electrones comenzaran a orbitar los núcleos atómicos. Este proceso liberó radiación llamada fondo cósmico de microondas que proporciona una instantánea del universo en ese momento.

Los cosmólogos quieren comprobar si la densidad del cosmos cambió de un período a otro como se esperaba basándose en sus modelos de evolución cósmica. Si las dos imágenes no están de acuerdo, “sería algo muy, muy importante de entender”, dijo Cooke. En esta brecha se podrían encontrar soluciones a problemas cosmológicos obstinadamente persistentes, como la naturaleza de la materia oscura, al igual que los primeros signos de nuevas partículas exóticas. “Pueden suceder muchas cosas entre un minuto o dos después del Big Bang y varios cientos de miles de años después del Big Bang”, dijo Cooke.

Pero la importantísima tasa de reacción del deuterio que permitiría a los investigadores hacer este tipo de comparaciones es muy difícil de medir. “Estás simulando el Big Bang en el laboratorio de forma controlada”, dijo Fields.

Los físicos intentaron por última vez una medición en 1997 . Desde entonces, las observaciones del fondo cósmico de microondas se han vuelto cada vez más precisas, ejerciendo presión sobre los físicos que estudian la nucleosíntesis del Big Bang para igualar esa precisión, y así permitir una comparación de las dos épocas.

En 2014, Cooke y sus coautores midieron con precisión la abundancia de deuterio en el universo a través de observaciones de nubes de gas lejanas. Pero para traducir esta abundancia en una predicción precisa de la densidad de la materia primordial, necesitaban una medida mucho mejor de la velocidad de reacción del deuterio.

Para confundir aún más la situación, una estimación puramente teórica de la tasa, publicada en 2016, no estuvo de acuerdo con la medición de laboratorio de 1997.

“Fue un escenario muy confuso”, dijo Gustavino, quien es miembro de la colaboración LUNA. “En este punto me volví agresivo con la colaboración … porque LUNA podía medir esta reacción exactamente”.Una combinación rara

Parte del desafío para medir la facilidad con que el deuterio se fusiona con un protón es que, en condiciones de laboratorio, la reacción no ocurre con mucha frecuencia. Cada segundo, el experimento LUNA dispara 100 billones de protones a un objetivo de deuterio. Solo unos pocos al día se fusionarán.

Además de la dificultad, los rayos cósmicos que llueven constantemente sobre la superficie de la Tierra pueden imitar la señal producida por las reacciones del deuterio. “Por esta razón, estamos en un laboratorio subterráneo donde, gracias a la capa de roca, podemos beneficiarnos del silencio cósmico”, dijo Francesca Cavanna, quien dirigió la recolección y análisis de datos de LUNA junto con Sandra Zavatarelli.

Durante tres años, los científicos se turnaron para pasar turnos de una semana en un laboratorio en las profundidades de la montaña Gran Sasso de Italia. “Es emocionante porque realmente sientes que estás dentro de la ciencia”, dijo Cavanna. A medida que recopilaron datos gradualmente, la presión de la comunidad física en general aumentó. “Había mucha anticipación; había mucha expectativa ”, dijo Marialuisa Aliotta, miembro del equipo.

Resulta que la medición recientemente publicada del equipo puede ser una decepción para los cosmólogos que buscan grietas en su modelo de cómo funciona el universo.Pasos pequeños

La tasa medida, que dice qué tan rápido el deuterio tiende a fusionarse con un protón para formar helio-3 en el rango de temperaturas que se encuentran en la época de la nucleosíntesis primordial, aterrizó entre la predicción teórica de 2016 y la medición de 1997. Más importante aún, cuando los físicos introducen esta tasa en las ecuaciones de la nucleosíntesis del Big Bang, predicen una densidad de materia primordial y una tasa de expansión cósmica que cuadra estrechamente con las observaciones del fondo cósmico de microondas 380.000 años después.

“Básicamente, nos dice que el modelo estándar de cosmología es, hasta ahora, bastante correcto”, dijo Aliotta.

Eso en sí mismo aprieta la brecha en la que deben encajar los modelos del cosmos de próxima generación. Los expertos dicen que los resultados podrían incluso descartar algunas teorías sobre la materia oscura.

Eso es menos emocionante que la evidencia a favor de nuevos ingredientes o efectos cósmicos exóticos. Pero en esta era de astronomía de precisión, dijo Aliotta, los científicos proceden “dando pequeños pasos”. Fields estuvo de acuerdo: “Estamos constantemente tratando de mejorar en el lado de la predicción, el lado de la medición y el lado de la observación”.

En el horizonte está la próxima generación de mediciones de fondo de microondas cósmicas. Mientras tanto, con el comportamiento del deuterio ahora mejor entendido, las incertidumbres en otras reacciones nucleares primordiales y abundancias elementales se vuelven más urgentes.

Una “mosca en el ungüento de nucleosíntesis del Big Bang” de larga data, según Fields, es que la densidad de materia calculada a partir del deuterio y el fondo cósmico de microondas predice que debería haber tres veces más litio en el universo de lo que realmente observamos.

“Todavía hay muchas incógnitas”, dijo Aliotta. “Y lo que traerá el futuro será muy interesante”.

Fuente: https://www.wired.com/story/physicists-pin-down-the-nuclear-reaction-just-after-the-big-bang/

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