Poco después del Big Bang, átomos radiactivos del tipo berilio-7, entre otros, entró en vigor. Hoy dia, en todo el universo, hace tiempo que se descomponen y no ocurren naturalmente, en contraste con su producto de desintegración, el litio. Ahora, los investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI han ayudado a comprender mejor los primeros minutos del universo:recolectaron berilio-7 producido artificialmente y lo convirtieron en una muestra que podría investigarse. El berilio-7 fue posteriormente probado por investigadores del CERN. El estudio conjunto de PSI, CERN, y otras 41 instituciones de investigación abordan el llamado problema cosmológico del litio:existe una marcada discrepancia entre la cantidad de litio que la teoría del Big Bang predice que debería haber en el universo y la cantidad de litio realmente observada. Según el presente estudio, ahora parece más probable que la causa de este problema cosmológico del litio se encuentre en la descripción teórica del origen del universo. Por tanto, la comunidad científica deberá seguir buscando una solución al problema cosmológico del litio. Los investigadores ahora publicaron sus resultados en la revista. Cartas de revisión física .

Los investigadores del Instituto Paul Scherrer han proporcionado una pieza de rompecabezas difícilmente ganada para comprender mejor el origen del universo:pudieron producir una muestra de átomos extremadamente raros y de corta duración del isótopo berilio-7. Después, en el CERN, fue posible probar este berilio-7 - en la práctica, su interacción con los neutrones, con mucha más precisión que nunca.

Dado que a través de su desintegración radiactiva, el berilio-7 se convierte en litio-7, estudiarlo puede ayudar a resolver un problema fundamental de la teoría del Big Bang:la teoría predice una cantidad de litio de tres a cuatro veces mayor en el universo de lo que muestran las mediciones reales. Este llamado problema cosmológico del litio es uno de los últimos grandes acertijos de la teoría actual del origen del universo, porque para todos los demás elementos producidos poco después del Big Bang, la teoría se ajusta bien a los datos medidos.

Prácticamente todo el litio-7 actual en el universo proviene del berilio-7 descompuesto, que a su vez se formó poco después del Big Bang. Por lo tanto, los investigadores estaban investigando la cuestión de si podría haber habido menos berilio al principio de lo que se creía anteriormente. lo que podría aclarar el problema cosmológico del litio. Una de las últimas posibilidades aún abiertas por comprobar era la denominada sección transversal de captura de neutrones del berilio-7. Este valor predice la probabilidad de que un núcleo atómico de berilio-7 capture un neutrón libre y posteriormente se desintegra.

"La sección transversal de captura de neutrones del berilio-7 se midió por última vez, imprecisamente en comparación, hace unos 50 años, "explica la investigadora de la ISP Dorothea Schumann, jefe del grupo de investigación Isotope and Target Chemistry. Esta cifra clave debería investigarse ahora en el CERN, con más precisión que nunca. La muestra de berilio-7 necesaria para esto fue proporcionada por los investigadores de PSI.

Años de preparación y pruebas de funcionamiento

La producción y medición de la muestra de berilio-7 fue como una representación teatral única, para lo cual los investigadores tuvieron que hacer alrededor de tres años de trabajo preparatorio y pruebas. El berilio-7 desaparece tan rápidamente a través de la desintegración radiactiva que su cantidad se reduce a la mitad aproximadamente cada 53 días. Por lo tanto, todo tenía que estar en su lugar antes de la ejecución real tanto en PSI como en CERN, así como para el transporte entre las dos instituciones, de modo que transcurriera el menor tiempo posible entre la producción de la muestra y la medición.

La idea del experimento surgió en 2012. La investigadora del PSI, Schumann, sabía que podía extraer el raro berilio-7 del agua de enfriamiento de la fuente de neutrones por espalación suiza SINQ, que funciona a PSI para experimentos con haces de neutrones.

"Aquí en PSI, con SINQ y las otras grandes instalaciones de investigación, tenemos fuentes únicas para recolectar isótopos radiactivos raros, ", Dice Schumann." Para los investigadores que operan y utilizan estas instalaciones, estos isótopos son un subproducto, pero para muchas otras instituciones de investigación, son muy útiles y se necesitan con urgencia ". Como buscadores de oro, Schumann y su grupo de investigación extraen estos raros isótopos. "Y luego actuamos como una interfaz para otros investigadores fuera de PSI que están interesados ​​en muestras enriquecidas de estos isótopos".

CERN está interesado

Los investigadores del CERN mostraron interés en obtener una muestra de berilio-7. "Con eso, sabían que podían abordar el problema cosmológico del litio, "Explica Schumann.

Entonces, Schumann y su equipo se pusieron a trabajar:Dentro de la ISP, Schumann se puso en contacto con los científicos e ingenieros que operan SINQ. Un sistema de filtro especial que cumple con las especificaciones de los investigadores de isótopos se conectó al agua de enfriamiento de SINQ, que podría recolectar material que contenga una cantidad adecuada de berilio-7 durante un período de aproximadamente tres semanas. "Para el laico, Nuestro filtro puede considerarse bastante similar al filtro doméstico familiar para el agua del grifo, "dice Stephan Heinitz, científico del grupo de investigación de Schumann.

Luego, entre otras cosas, los materiales reunidos de esta forma debían separarse químicamente. "Esto requiere una experiencia especial, que afortunadamente tenemos en mi grupo de investigación, "Dice Schumann. Sin embargo, este procedimiento tomó una semana más y tuvo que realizarse, para la protección contra la radiación del material, en una llamada celda caliente, un laboratorio creado para la manipulación de materiales radiactivos.

Un peso de transporte de 800 kilogramos

Desde allí, la muestra concentrada de berilio-7 tuvo que transferirse a un montaje adecuado, y esto a su vez en un aparato del tamaño de una olla, que cumplió con las especificaciones para su uso en la configuración experimental del CERN. "El aparato, así como los contenedores a prueba de radiación para transferir el material, todo fue hecho a medida, "relata Emilio Maugeri, otro investigador del grupo de Schumann.

Finalmente, se tuvieron que organizar y aprobar arreglos para transportar una carga pesada de materiales radiactivos desde la ISP al CERN.

"La muestra real que entregamos al CERN contenía solo unas millonésimas de gramo de berilio-7, ", Explica Schumann." Pero el blindaje requerido elevó el peso de transporte a 800 kilogramos ".

Dentro del período de tiempo crítico, todo tuvo éxito de acuerdo con el plan. Los investigadores del CERN pudieron llevar a cabo el experimento con la muestra de PSI y determinar la sección transversal de captura de neutrones del berilio-7, hasta ahora insuficientemente conocida.

El problema cosmológico del litio sigue sin resolverse

Los científicos del CERN y del PSI y sus colaboradores de otras 41 instituciones de investigación estaban especialmente interesados ​​en una ruta de desintegración particular del berilio-7:la probabilidad de un proceso mediante el cual un núcleo atómico de berilio-7 atrapa un neutrón libre, es decir, una partícula elemental sin carga neta. Al mismo tiempo, uno de los protones abandona el núcleo de berilio. Por lo tanto, dado que el núcleo ahora contiene un protón menos (y un neutrón más), el átomo de berilio se transforma en un átomo del elemento litio:se convierte en litio-7. La llamada sección transversal de captura de neutrones, es decir, la probabilidad de todo este proceso depende de la energía que tenga el neutrón libre. Por tanto, los investigadores aprovecharon la posibilidad del CERN de variar la energía de los neutrones, e hicieron una serie de medidas para una amplia gama de energías de neutrones.

Sin embargo, estas últimas mediciones de la sección transversal de captura de neutrones no han resuelto el problema cosmológico del litio. Schumann dice:"Con las nuevas medidas, los investigadores del CERN pudieron determinar la sección transversal de captura de neutrones con tanta precisión que ahora está claro:el problema cosmológico del litio no se puede resolver de esta manera; todavía persiste. La comunidad científica tendrá que seguir buscando una explicación ".