Los físicos precisan la reacción nuclear justo después del Big Bang

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.

Historia original reimpreso con permiso de Revista Quanta, una publicación editorialmente independiente del Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia al cubrir los desarrollos de investigación y las tendencias en matemáticas y ciencias físicas y de la vida.

Su medida de la velocidad de reacción, publicado el 11 de noviembre en Naturaleza, establece 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 esta tasa que la nueva medición del Laboratorio de Astrofísica Nuclear Subterránea (LUNA) la colaboración se ha concretado.

La sonda más antigua del universo

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

Comenzando en 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, que ayudaron a impulsar la expansión cósmica.

Pero para casi una década ahora, 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 una manera controlada”, dijo Fields.

Los físicos duran intentó 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 coautores midió 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.

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