Primi risultati per l'esperimento LUNA dell'INFN

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Nel laboratorio del Gran Sasso precisissima stima della densità dell’universo primordiale. Grazie alla misurazione di una delle reazioni nucleari durante il Big Bang, gli scienziati hanno dimostrato che la densità barionica dell’universo primordiale è derivabile con una precisione inferiore al 2%, la più alta di sempre

C’è una reazione chiave di quel processo fondamentale, chiamato nucleosintesi primordiale, che ha portato alla produzione degli elementi chimici più leggeri nei primi momenti di vita del nostro universo: è la reazione per mezzo della quale da un protone e un nucleo di deuterio si ottiene uno dei due isotopi stabili dell’elio, l’Elio-3.

Questa reazione è stata ora indagata con una precisione mai raggiunta prima dall’esperimento LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics) nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN: è stato così possibile raffinare i calcoli della nucleosintesi primordiale, ricavando un’accurata determinazione della densità della materia ordinaria (materia barionica), di cui è fatto tutto ciò che conosciamo, compresi gli esseri viventi. I risultati della misura di LUNA, insieme a una discussione delle loro conseguenze cosmologiche, sono stati pubblicati oggi 11 novembre sulla rivista Nature.

Rappresentazione artistica dell’universo primordiale.
Credit: ESA / Hubble, M. Kornmesser e NASA — Rappresentazione artistica dell’universo primordiale. Credit: ESA / Hubble, M. Kornmesser e NASA

La vita delle stelle

Durante la loro vita le stelle convertono gli elementi chimici leggeri in elementi più pesanti, tramite processi di fusione nucleare. Non tutti gli elementi chimici però sono prodotti nelle stelle: il protone e il neutrone che costituiscono i primi mattoni per la costruzione di tutti gli elementi chimici, si formano nei primissimi istanti del big bang.

Dopo circa 3 minuti dal big bang, la temperatura scende a un miliardo di gradi e il deuterio può finalmente essere prodotto dalla fusione di protoni e neutroni senza essere distrutto dall’interazione con i fotoni di alta energia. Inizia così la sintesi degli elementi più leggeri, nota come nucleosintesi primordiale.

Nel silenzio cosmico dei Laboratori sotterranei del Gran Sasso, dove 1400 m di roccia proteggono le sale sperimentali dai raggi cosmici, l’esperimento LUNA è in grado di ricreare i processi che sono avvenuti durante la nucleosintesi primordiale e che tutt’ora avvengono nelle stelle, e di riportare con il suo acceleratore di particelle l’orologio indietro nel tempo fino a pochi minuti dopo la nascita dell’universo.

C’è la prova matematica dell’origine spontanea dell’universo dal niente?

L’abbondanza di deuterio primordiale è determinata principalmente dalla reazione misurata durante la lunga campagna di misure effettuate a LUNA. La densità di materia barionica ottenuta attraverso il risultato di LUNA è in ottimo accordo con il valore ricavato dallo studio della radiazione cosmica di fondo, il residuo “fossile” del big bang.