Categorieën
Astronomie Het Heelal

Natuurkundigen pikken nucleaire reactie op van momenten na de oerknal.

De nieuw gemeten snelheid van een belangrijk kernfusieproces van de oerknal komt overeen met het beeld van het universum 380.000 jaar later.

Natuurkundigen van het Laboratorium voor Ondergrondse Nucleaire Astrofysica in Italië schoten een bundel protonen (roze) op een deuteriumdoelwit en maten de fusiesnelheid.
Yuri Suvorov

In een afgelegen laboratorium, begraven onder een berg in Italië, hebben natuurkundigen een nucleaire reactie gecreëerd die tussen twee en drie minuten na de oerknal plaatsvond.

Hun meting van de reactiesnelheid, vandaag gepubliceerd in Nature, spijkert de meest onzekere factor vast in een reeks stappen die bekend staat als Big Bang-nucleosynthese die de eerste atoomkernen van het universum heeft gesmeed.

Volgens Ryan Cooke, een astrofysicus aan de Durham University in het Verenigd Koninkrijk, die niet bij het werk betrokken was, zijn onderzoekers “in de wolken” over het resultaat. “Er zullen veel mensen zijn die geïnteresseerd zijn in deeltjesfysica, kernfysica, kosmologie en astronomie,” zei hij.

De reactie omvat deuterium, een vorm van waterstof bestaande uit één proton en één neutron die binnen de eerste drie minuten van de kosmos samensmolten. Het meeste deuterium smolt snel tot zwaardere, stabielere elementen zoals helium en lithium. Maar sommigen hebben het tot op de dag van vandaag overleefd. “Je hebt een paar gram deuterium in je lichaam, dat helemaal uit de oerknal komt”, zegt Brian Fields, een astrofysicus aan de Universiteit van Illinois, Urbana-Champaign.

De exacte hoeveelheid deuterium die overblijft, onthult de belangrijkste details over die eerste minuten, inclusief de dichtheid van protonen en neutronen en hoe snel ze werden gescheiden door kosmische expansie. Deuterium is “een speciale supergetuige van dat tijdperk”, zei Carlo Gustavino, een nucleair astrofysicus aan het Italiaanse Nationale Instituut voor Kernfysica.

Maar natuurkundigen kunnen die stukjes informatie alleen afleiden als ze weten hoe snel deuterium versmelt met een proton om het isotoop helium-3 te vormen. Het is dit percentage dat de nieuwe meting door de samenwerking van het Laboratorium voor Ondergrondse Nucleaire Astrofysica (LUNA) heeft vastgepind.

De vroegste sonde van het heelal

De creatie van Deuterium was de eerste stap in de Big Bang-nucleosynthese, een opeenvolging van nucleaire reacties die plaatsvonden toen de kosmos een super hete maar snel afkoelende soep van protonen en neutronen was.

Vanaf de jaren veertig ontwikkelden kernfysici een reeks in elkaar grijpende vergelijkingen die beschrijven hoe verschillende isotopen van waterstof, helium en lithium zich verzamelden toen kernen samensmolten en protonen en neutronen absorbeerden. (Zwaardere elementen werden veel later in sterren gesmeed.) Onderzoekers hebben sindsdien de meeste aspecten van de vergelijkingen getest door de oorspronkelijke kernreacties in laboratoria te repliceren.

Daarbij deden ze radicale ontdekkingen. De berekeningen boden enkele van de eerste bewijzen van donkere materie in de jaren zeventig. Big Bang-nucleosynthese stelde natuurkundigen ook in staat het aantal verschillende soorten neutrino’s te voorspellen, wat hielp bij het stimuleren van kosmische expansie.

Maar al bijna een decennium heeft onzekerheid over de waarschijnlijkheid dat deuterium een ​​proton absorbeert en in helium-3 verandert, het beeld van de eerste minuten van het universum vertroebeld. Het belangrijkste is dat de onzekerheid natuurkundigen ervan heeft weerhouden dat beeld te vergelijken met hoe de kosmos er 380.000 jaar later uitzag, toen het universum voldoende afkoelde om elektronen in een baan om atoomkernen te laten draaien. Dit proces bracht straling vrij die de kosmische microgolfachtergrond wordt genoemd en die een momentopname van het universum op dat moment geeft.

Je simuleert de oerknal op een gecontroleerde manier in het lab.
Brian Fields

Kosmologen willen controleren of de dichtheid van de kosmos van de ene periode naar de andere is veranderd zoals verwacht op basis van hun modellen van kosmische evolutie. Als de twee foto’s het niet met elkaar eens zijn, “zou dat echt heel belangrijk zijn om te begrijpen”, zei Cooke. Oplossingen voor hardnekkig hardnekkige kosmologische problemen – zoals de aard van donkere materie – konden in deze kloof worden gevonden, evenals de eerste tekenen van exotische nieuwe deeltjes. “Er kan veel gebeuren tussen een minuut of twee na de oerknal en enkele honderdduizenden jaren na de oerknal”, zei Cooke.

Maar de uiterst belangrijke reactiesnelheid van deuterium waarmee onderzoekers dit soort vergelijkingen zouden kunnen maken, is erg moeilijk te meten. “Je simuleert de oerknal op een gecontroleerde manier in het laboratorium”, zei Fields.

Natuurkundigen probeerden voor het laatst een meting uit in 1997. Sindsdien zijn waarnemingen van de kosmische microgolfachtergrond steeds nauwkeuriger geworden, waardoor natuurkundigen die Big Bang-nucleosynthese bestuderen onder druk komen te staan ​​om die precisie te evenaren – en dus een vergelijking van de twee tijdperken mogelijk maken.

In 2014 hebben Cooke en co-auteurs de overvloed aan deuterium in het universum nauwkeurig gemeten door middel van waarnemingen van verre gaswolken. Maar om deze overvloed te vertalen in een precieze voorspelling van de dichtheid van de oermaterie, hadden ze een veel betere maat nodig voor de reactiesnelheid van deuterium.

Om de situatie verder te verwarren, was een puur theoretische schatting voor het tarief, gepubliceerd in 2016, het niet eens met de laboratoriummeting uit 1997.

“Het was een erg verwarrend scenario”, zegt Gustavino, die lid is van de LUNA-samenwerking. “Op dit punt werd ik opdringerig door de samenwerking … omdat LUNA deze reactie precies kon meten.”

Het was een erg verwarrend scenario, ”zei Gustavino, die lid is van de LUNA-samenwerking. “Op dit punt werd ik opdringerig door de samenwerking … omdat LUNA deze reactie precies kon meten.”

Een zeldzame combinatie

Een deel van de uitdaging om te meten hoe gemakkelijk deuterium versmelt met een proton, is dat de reactie onder laboratoriumomstandigheden niet vaak voorkomt. Elke seconde vuurt het LUNA-experiment 100 biljoen protonen af ​​op een doelwit van deuterium. Slechts een paar dagen zullen fuseren.

Wat de moeilijkheid nog groter maakt, is dat kosmische straling die constant op het aardoppervlak regent, het signaal kan nabootsen dat wordt geproduceerd door deuteriumreacties. “Om deze reden bevinden we ons in een ondergronds laboratorium waar we dankzij de rotsbedekking kunnen profiteren van kosmische stilte”, zegt Francesca Cavanna, die samen met Sandra Zavatarelli de leiding had over de gegevensverzameling en -analyse van LUNA.

Meer dan drie jaar lang brachten de wetenschappers om beurten diensten van een week door in een laboratorium diep in de Gran Sasso-berg in Italië. “Het is opwindend omdat je echt voelt dat je in de wetenschap zit”, zei Cavanna. Terwijl ze geleidelijk gegevens verzamelden, nam de druk toe van de bredere natuurkundige gemeenschap. “Er was veel verwachting; er was veel verwachting ”, zegt Marialuisa Aliotta, een teamlid.

Het blijkt dat de onlangs gepubliceerde meting van het team een ​​teleurstelling kan zijn voor kosmologen die op zoek zijn naar scheuren in hun model van hoe het universum werkt.

Kleine stappen

De gemeten snelheid – die aangeeft hoe snel deuterium de neiging heeft om te versmelten met een proton om helium-3 te vormen over het temperatuurbereik dat wordt aangetroffen in het tijdperk van de oorspronkelijke nucleosynthese – is geland tussen de theoretische voorspelling van 2016 en de meting van 1997. Wat nog belangrijker is, is dat wanneer natuurkundigen deze snelheid invoegen in de vergelijkingen van de Big Bang-nucleosynthese, ze een oorspronkelijke materiedichtheid en een kosmische expansiesnelheid voorspellen die nauw aansluiten bij waarnemingen van de kosmische microgolfachtergrond 380.000 jaar later.

“Het vertelt ons in wezen dat het standaardmodel van de kosmologie tot dusver helemaal juist is”, zei Aliotta.

Dat op zichzelf overbrugt de kloof waarin de modellen van de volgende generatie van de kosmos moeten passen. Experts zeggen dat sommige theorieën over donkere materie zelfs door de resultaten kunnen worden uitgesloten.

Dat is minder opwindend dan bewijs ten gunste van exotische nieuwe kosmische ingrediënten of effecten. Maar in dit tijdperk van precisie-astronomie, zei Aliotta, gaan wetenschappers te werk “door kleine stapjes te maken”. Velden waren het erover eens: “We proberen constant het beter te doen aan de voorspellingskant, de meetkant en de observatiekant.”

RELATED:


  1. Big Bounce Simulations Challenge the Big Bang
  2. How Ancient Light Reveals the Universe’s Contents
  3. What Might Be Speeding Up the Universe’s Expansion?

Aan de horizon staat de volgende generatie kosmische microgolf-achtergrondmetingen. Ondertussen, nu het gedrag van deuterium beter wordt begrepen, worden onzekerheden in andere oorspronkelijke kernreacties en elementaire overvloed dringender.

Een al lang bestaande “vlieg in de oerknal-nucleosynthesezalf”, volgens Fields, is dat de materiedichtheid berekend op basis van deuterium en de kosmische microgolfachtergrond voorspelt dat er drie keer meer lithium in het universum zou moeten zijn dan we werkelijk waarnemen.

‘Er zijn nog veel onbekenden,’ zei Aliotta. “En wat de toekomst zal brengen, wordt heel interessant.”


Gepubliceerd op: Quantum Magazine

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s

Deze site gebruikt Akismet om spam te bestrijden. Ontdek hoe de data van je reactie verwerkt wordt.