Verso una soluzione del problema cosmologico del litio

Se manca qualcosa che dovrebbe esserci, qual è la causa? ― È noto da decenni che esiste una discrepanza significativa tra l'abbondanza di litio teorica e quella osservata nell'universo primordiale; l'abbondanza primordiale del ⁷Li è infatti sovrastimata e/o sotto-osservata di un fattore 3 – 4. Tale incongruenza è chiamata “problema cosmologico del litio (CLP)”, sebbene la teoria standard del Big Bang sia nota come un modello molto “di successo”, in ottimo accordo con la maggior parte degli altri fatti osservativi.

I ricercatori della collaborazione Italo-Giapponese hanno ora trovato prove sperimentali che l'abbondanza teorica di ⁷Li dovrebbe essere corretta verso il basso di circa il 10%. Questa non è ancora una soluzione completa, ma un contributo necessario per gli ulteriori approcci teorici alla soluzione CLP con compiti leggermente meno impegnativi.

Il litio primigenio viene creato durante il periodo della nucleosintesi del Big Bang (BBN), così come l'idrogeno e l'elio, da un miscuglio di protoni e neutroni. La BBN è una complessa rete di reazioni nucleari e l'abbondanza di un nuclide dipende non solo dalla reazione diretta a produrlo, ma anche dalla reazione per distruggerlo e spesso da altre reazioni lungo connesse. Ad esempio, l'abbondanza di ⁷Li è principalmente dominata dai processi di produzione e distruzione di ⁷Be. Questi studi sono stati inseriti nel contesto dell’attività scientifica di ASFIN nel campo dello studio della nucleosintesi primordiale, risultati poi discussi in vari articoli  negli ultimi anni.

Seiya Hayakawa del Center for Nuclear Study dell'Università di Tokyo in collaborazione con il gruppo ASFIN dell’INFN – LNS, la Sungkyunkwan University e altre istituzioni conduce un progetto sperimentale che mira a misurare le reazioni nucleari responsabili della riduzione del ⁷Be nella BBN. Recentemente, ci sono stati diversi tentativi di misurare queste reazioni ⁷Be(n, p)⁷Li e ⁷Be(n, α)⁴He anche da parte di altri gruppi di ricerca, ma i dati nella regione energetica rilevante per la BBN risultano essere ancora piuttosto scarsi.

Queste reazioni sono molto difficili da investigare direttamente poiché sia il ⁷Be che il neutrone sono instabili. Il gruppo di ricerca ha proposto di utilizzare il deutone come bersaglio invece di un neutrone nudo e un fascio ⁷Be prodotto dal CRIB (Center-for-Nuclear-Study Radioactive Ion Beam separator, https://www.cns.su-tokyo.ac.jp/crib/crib-new/home-en/index.html). Si tratta di una tecnica unica nota come metodo del cavallo di Troia, sviluppata dal gruppo di astrofisica nucleare dell'INFN – LNS. Con questo metodo, il deutone è come il cavallo di Troia nel mito greco, ed il neutrone è il soldato che si insinua nell'inespugnabile città di Troia, cioè le reazioni di interesse, ⁷Be(n, p)⁷Li e ⁷Be(n, α)⁴He. Il risultato sperimentale mostra per la prima volta un contributo significativo della transizione al primo stato eccitato di ⁷Li, che offre un'ulteriore riduzione del ⁷Be durante la BBN e infine una minore abbondanza di ⁷Li di circa il 10%.

Setup sperimentale e illustrazione concettuale del Metodo del Cavallo di Troia

 

Link all'articolo: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac061f

Press release dell'Università di Tokyo (in giapponese): https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/info/7456/

Press release dell'Università di Tokyo (in inglese): https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00184.html

 

Per maggiori dettagli:

Seiya Hayakawa
Center for Nuclear Study, The University of Tokyo
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Marco La Cognata
INFN – LNS
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