La colaboración internacional neutron Time Of Flight (n_TOF), en la que participa un grupo de investigadores de la Universidad de Sevilla, ha hecho uso de las capacidades únicas en el mundo de tres instalaciones nucleares como son las del PSI (Paul Scherrer Institute, Suiza), ISOLDE (ISotope On-Line DEvice, CERN) y la propia instalación de n_TOF también en el CERN para realizar un nuevo experimento destinado a buscar una explicación al llamado problema cosmológico del litio (Li).

Este problema es uno de los aspectos aún no resueltos de la descripción estándar actual del Big Bang. Diversas reacciones nucleares responsables de la creación y destrucción de núcleos atómicos en la nucleosíntesis durante el Big-Bang (BBN, por sus siglas en inglés) son cruciales para determinar la abundancia primordial del litio, el tercer (y último) elemento químico formado durante la fase muy temprana de evolución del universo. Los restantes elementos de la naturaleza se formaron mucho más tarde, en las estrellas.

Los modelos estándar de Big Bang que se utilizan en la actualidad predicen una abundancia de Li-7, el principal isótopo del Litio, que es un factor 3-4 mayor que el luego 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 destrucción del isótopo berilio-7 (Be-7), el precursor del Li-7, y, por tanto, hacer compatibles las abundancias cosmológicas del litio calculadas y observadas.

Canal de reacción neutrónico

“Potencialmente, este canal de reacción neutrónico podría resolver el problema cosmológico del litio, que es uno de los aspectos aún no resueltos de la descripción estándar actual del Big-Bang”, apunta el catedrático José Manuel Quesada de la Universidad de Sevilla.

En la instalación SINQ del PSI (Villigen, Suiza) se separó 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 berilio-helio (⁷Be(n,a)⁴He) en un amplio rango de energías, lo cual permitió imponer fuertes restricciones a uno de los mecanismos de destrucción del isótopo Be-7 durante el Big-Bang. En este experimento, sin embargo, se ha medido la reacción berilio-litio 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 del Big Bang.

Los nuevos resultados experimentales, sus interpretaciones teóricas e implicacones de estas dos reacciones en el Problema Cosmológico del Litio han sido publicados recientemente en la revista Physical Review Letters.

“Aunque los nuevos datos extraidos 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 problema cosmológico del litio. La comunidad científica tiene aquí un reto que exigirá esfuerzos adicionales para resolver este enigma, que implica los campos de astrofísica nuclear, observaciones astronómicas, cosmología no estándar e incluso nueva física más allá del modelo eEstándar de física de partículas”, aseguran los investigadores.

Referencia bibliográfica: 

7Be(n,p)7Li reaction and the cosmological lithium problem: Measurement of the cross section in a wide energy range at n_TOF at CERN. L. Damone et al. (The n_TOF Collaboration), Physical Review Letters 121, 042701 (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.042701