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La Colaboración n_TOF del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) ha hecho uso de las capacidades únicas en el mundo de tres instalaciones nucleares - PSI (Paul Scherrer Institute, Suiza), ISOLDE (ISotope On-Line DEvice, CERN) y n_TOF (neutron-Time Of Flight) – para realizar un nuevo experimento destinado a explorar una explicación al problema Cosmológico del Litio (CliP, sus siglas en inglés) basada en un canal neutrónico.
Diversas reacciones nucleares responsables de la creación y destrucción de núcleos atómicos en la nucleosíntesis durante el Big-Bang (BBN, sus siglas en inglés) son cruciales en la determinación de la abundancia primordial del litio, el tercer (y último) elemento químico formado durante la fase muy temprana de evolución del Universo (*). Los modelos estándar de BBN actualmente utilizados predicen una abundancia de Li-7, el principal isótopo del litio, que es un factor 3-4 mayor que el determinado mediante observaciones astronómicas. Recientemente se ha investigado en la instalación n_TOF del CERN la posibilidad de un canal neutrónico, que podría incrementar la tasa de destrución del isótopo Be-7, el precursor del Li-7, y, por lo tanto, hacer compatibles las abundancias cosmológicas del litio calculadas y observadas. Potencialmente, un canal de reacción neutrónico podría resolver el CLiP, que es uno de los aspectos aún no resueltos de la descripción estándar actual del Big Bang (ver la figura para más detalles).
En la instalación SINQ del PSI (Villigen, Suiza) se separó en el el material “en bruto” destinado a ser utilizado en el nuevo experimento. El material fue posteriormente enviado a la instalación de haces radiactivos ISOLDE del CERN para producir un blanco puro con menos de 0.1 miligramos de Be-7, que se envió a continuación a la instalación n_TOF para realizar en ella las medidas neutrónicas. Esta ha sido la primera ocasión en que las dos instalaciones del CERN dedicadas a los experimentos de física nuclear han llevado a cabo un experimento conjunto, utilizando el haz de iones radiantivos de ISOLDE para producir el blanco necesario para un experimento en n_TOF mediante la técnica de tiempo de vuelo de los neutrones.
En un experimento previo en n_TOF se había medido la sección eficaz de la reacción 7Be(n,a)4He en un amplio rango de energías [2], lo cual permitió imponer fuertes restricciones a uno de los mecansmos de destrucción del isótopo Be-7 durante la BBN. En este experimento se ha medido la reacción 7Be(n,p)7Li, extendiendo de nuevo datos previos a un mayor rango de energías y, por lo tanto, permitiendo una actualización de la tasa de reacción usada en los cálculos en red estándar BBN.
Los nuevos resultados experimentales, sus interpretaciones teóricas e implicacones de estas dos reacciones en el Problema Cosmológico del Litio han sido publicados recientemente en un artículo en Physical Review Letters [1], firmado por investigadores de las colaboraciones n_TOF e ISOLDE, así como del PSI .
Aunque los nuevos datos extraídos de los experimentos en n_TOF permiten establecer una base mucho más firme para los cálculos BBN, la conclusión de este trabajo es que los canales neutrónicos no bastan para resolver el CliP. La comunidad científica tiene aquí un reto que exigirá esfuerzos adicionales para resolver este enigma, que implica los campos astrofísica nuclear, observaciones astronómicas, cosmología no estándar e incluso nueva física mas allá del Modelo Estándar de física de partículas.
(*) Los restantes elementos químicos presentes en la naturaleza se formaron mucho más tarde, en las estrellas, durante las diferentes fases de su evolución.
[1] L Damone et al. (The n_TOF Collaboration), Phys. Rev. Lett. 121, 042701 (2018)
[2] M Barbagallo et al. (The n_TOF Collaboration), Phys. Rev. Lett. 117, 152701 (2016)
La instalación n_TOF del CERN para la medida de reacciones inducidas por neutrones mediante la técnica del tiempo de vuelo es una fuente pulsada de neutrones acoplada dos líneas de de neutrones: una horizontal de 200 m y otra vertical de 20m. n_TOF está diseñanda para estudiar las interacciones neutrón-núcleo a energías que van desde unos pocos meV hasta varios GeV. La energía cinética de los neutrones se determina mediante el tiempo de vuelo, de donde deriva nombre de la instalación. El estudio de las reacciones inducidas por neutrones es de gran importancia en un gran número de campos de investigación, que van desde la nucleosíntesis estelar, los efectos de ruptura de la simetría en núcleos compuestos y la investigación en la densidad de niveles nucleares hasta aplicaciones tecnológicas avanzadas. La Colaboración n_TOF está compuesta por 130 científicos de 41 instituciones de Europa (37), Japón (2), India (1) y Australia. El grupo del Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear de la Universidad de Sevilla en la Colaboración n_TOF (coordinado por el profesor José Manuel Quesada Molina y compuesto por los doctores Miguel Antonio Cortés Giraldo, Carlos Guerrero Sánchez y Marta Sabaté Gilarte, así como los estudiantes de doctorado Jorgue Lerendegui Marco, María de los Ańgeles Millán Callado y María Teresa Rodríguez González) forma parte de la misma desde sus inicios en 2001.
El separador de masas en línea ISOLDE es una instalación del CERN dedicada a la producción de una gran variedad de haces de iones radiactivos para diversos experimentos en los campos de la física nuclear, física atómica. Física del estado sólido, ciencia de materiales y ciencias de la vida. La instalación está situada junto al Proton Synchrotron Booster (PSB), acelerador-acumulador intermedio en la cadena de aceleradores de partículas del CERN. Esta instalación es operada por la Colaboración ISOLDE, cuyos miembros son Alemania, Bélgica, CERN, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Grecia, Italia, Noruega, Polonia, Rumanía, Eslovaquia, Reino Unido, Suecia y Suráfrica.
El Instituto Paul Scherrer (PSI, Villigen, Suiza) desarrolla, mantiene y opera varias grandes instalaciones de investigación, que están al servicio de las comunidades investigadoras nacional e internacional. Las líneas prioritarias de investigación del instituto son el estudio de la materia, la energía y medio ambiente y la salud humana.
Figura
Carta de los seis primeros isótopos (hasta el carbón). Los isótopos estables se muestran en negro, mientras que los radiactivos aparecen en rojo, azul o blanco. Las líneas amarillas indican la cadena de reacciones nucleares que tienen lugar durante los primeros minutos de vida del universo, la nucleosíntesis del Big Bang (BBN). Las líneas rojas indican que la creación de isótopos más allá de los elementos helio y litio está fuertemente inhibida debido a la ausencia de núcleos estables con masas 5 y 8. Durante la BBN se formó una apreciable cantidad de litio, pero ésta es mucho menor que la predicha por las teorías actuales, que predicen una abundancia cósmica de 7Li mucho mayor que la que se observa. Las flechas azules indican los dos canales de reacción neutrónicos investigados en n_TOF, el 7Be(n,a)4He y el 7Be(n,p)7Li. La cantidad de 7Li creada mediente la reacción 7Be(n,p)7Li no es significativa, ya que rápidamente se destruye y transforma en 4He y 3H durante la BBN (líneas amarillas correspondientes). Sólo el 7Be que sobrevive a la BBN se desintegra posteriormente en 7Li, que constituye el litio cósmico estable observable.
