Esperimento LUNA per capire il momento dell’inflazione cosmica

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Ricercatori italiani hanno ricreato le reazioni nucleari avvenute un secondo dopo il Big Bang. Utilizzando l’acceleratore di particelle LUNA dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, il team italiano è riuscito a misurare con estrema precisione una delle reazioni nucleari fondamentali dei primi istanti del nostro Universo dopo il Big Bang. Un tassello fondamentale per ricostruire la quantità di materia nell’Universo.

La notizia arriva dai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, uno dei gioielli della comunità scientifica italiana. Il team di ricercatori dell’esperimento LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics), ha pubblicato su Nature i risultati della ricerca con cui hanno misurato con estrema precisione una delle reazioni di nucleosintesi primordiali che ha prodotto la materia visibile alle origini dell’Universo a pochi istanti dal Big Bang, la cosiddetta combustione del deuterio.

Per capire l’importanza della scoperta, occorre fare un passo indietro, molto indietro, ad appena un secondo dal Big Bang, quando l’universo era talmente denso e bollente da essere costituito da particelle allo stato libero che scontrandosi tra loro hanno iniziato a innescare le prime reazioni nucleari, producendo i primi atomi leggeri, reazioni che vanno sotto il nome di Big Bang Nucleosynthesis o BBN. Dall’analisi delle osservazioni dell’attuale densità della materia nell’Universo e della radiazione cosmica di sottofondo, siamo riusciti a ricostruire a ritroso come a pochi minuti dal Big Bang tutta la materia visibile fosse costituita per il 75% da atomi di idrogeno, per il 25% dal elio-4, con tracce di deuterio, elio-3 e litio-7.

Tutti gli altri elementi più pesanti della tabella periodica sono stati sintetizzati nelle fornaci stellari partendo da questi mattoncini di base. La quantità di deuterio in rapporto a quella dell’idrogeno, in particolare, gioca un ruolo fondamentale nel determinare la densità della materia barionica primordiale. Ma fino ad oggi c’era una discrepanza tra la quantità di deuterio derivata dall’osservazione dell’Universo lontano e della radiazione cosmica di fondo, e i modelli teorici delle BBN e la misurazione in laboratorio delle reazioni nucleari.

Il Big Bang sotto la montagna

E qui entra in gioco l’esperimento realizzato nei laboratori del Gran Sasso. Utilizzando l’acceleratore di particelle LUNA, i ricercatori hanno replicato la reazione nucleare che sintetizza l’elio-3 dalla fusione di un atomo di deuterio con un protone.

Viaggio nel cuore del Gran Sasso, dove si studiano i misteri dell'UniversoGrazie all’ubicazione dell’acceleratore di particelle 1400 metri sotto il Gran Sasso, che fornisce uno scudo naturale dai raggi cosmici che avrebbero inquinato i risultati dell’esperimento, i ricercatori sono riusciti a misurare con precisione mai raggiunta prima il ritmo a cui procede la reazione nucleare. I risultati contenuti nell’articolo pubblicato su Nature, firmato dalla ricercatrice Viviana Mossa e il suo team, sono in grado ora di confermare la validità del modello teorico delle BBN, con risultati sperimentali in accordo con la densità di materia stimata dall’osservazione dell’Universo. Così è stata annunciata la pubblicazione dello studio dal responsabile di LUNA:

“In questo particolare studio ci siamo avvalsi della preziosa collaborazione del gruppo di fisica astroparticellare e cosmologia teorica dell’Università Federico II di Napoli per ottenere un’accurata determinazione della densità barionica grazie al codice Parthenope, che simula il processo di nucleosintesi primordiale. Mentre, per la descrizione dell’interazione nucleare abbiamo collaborato con il gruppo di fisica nucleare teorica dell’Università di Pisa. L’esperimento LUNA proseguirà la sua attività scientifica nel prossimo decennio con il progetto LUNA-MV, focalizzato sullo studio di processi chiave per la composizione chimica dell’universo e la nucleosintesi degli elementi più pesanti”.

Gianluca Imbriani, responsabile della collaborazione LUNA

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