Experimentuppställning. När en stråle av beryllium kommer in från vänster, den deuterontrojanska hästen fångar upp den vid målet och levererar sin neutronsoldat. Detta gör att sönderfallsprodukterna från beryllium- och neutronreaktionerna kan fångas av en böjd uppsättning av sex detektorer till höger. Kredit:Hayakawa et al.
Det finns en betydande diskrepans mellan teoretiska och observerade mängder litium i vårt universum. Detta är känt som det kosmologiska litiumproblemet, och det har plågat kosmologer i decennier. Nu, forskare har minskat denna skillnad med cirka 10 %, tack vare ett nytt experiment om de nukleära processer som är ansvariga för skapandet av litium. Denna forskning kan visa vägen till en mer fullständig förståelse av det tidiga universum.
Det finns ett känt talesätt som "i teorin, teori och praktik är samma sak. I praktiken, det är de inte." Detta gäller i alla akademiska områden, men det är särskilt vanligt inom kosmologi, studiet av hela universum, där det vi tycker att vi borde se och det vi verkligen ser inte alltid stämmer överens. Detta beror till stor del på att många kosmologiska fenomen är svåra att studera på grund av otillgänglighet. Kosmologiska fenomen är vanligtvis utom räckhåll på grund av de extrema avstånden, eller ofta har de inträffat innan den mänskliga hjärnan ens hade utvecklats för att oroa sig för dem i första hand - så är fallet med big bang.
Projektassistent Seiya Hayakawa och lektor Hidetoshi Yamaguchi från Center for Nuclear Study vid University of Tokyo, och deras internationella team är särskilt intresserade av ett område av kosmologi där teori och observation är mycket felaktiga, och det är frågan om det saknade litiumet, det kosmologiska litiumproblemet (CLP). I ett nötskal, teorin förutspår att i minuterna efter den stora smällen som skapade all materia i kosmos, det borde finnas ett överflöd av litium runt tre gånger större än vad vi faktiskt observerar. Men Hayakawa och hans team stod för en del av denna diskrepans och har därmed banat väg för forskning som en dag kan lösa det helt.
"13,7 miljarder år sedan, när materia smälte samman från energin från big bang, vanliga lätta element som vi alla känner igen - väte, helium, litium och beryllium – bildas i en process som vi kallar Big Bang nukleosyntes (BBN), " sade Hayakawa. "Men, BBN är inte en enkel kedja av händelser där en sak blir en annan i följd; det är faktiskt en komplex väv av processer där ett virrvarr av protoner och neutroner bygger upp atomkärnor, och några av dessa sönderfaller till andra kärnor. Till exempel, överflödet av en form av litium, eller isotop - litium-7 - är oftast ett resultat av produktionen och sönderfallet av beryllium-7. Men det har antingen överskattats i teorin, underobservad i verkligheten, eller en kombination av de två. Det här måste lösas för att verkligen förstå vad som hände långt tillbaka."
Litium-7 är den vanligaste isotopen av litium, svarar för 92,5 % av alla observerade. Dock, även om de accepterade modellerna av BBN förutsäger de relativa mängderna av alla element som är involverade i BBN med extrem noggrannhet, den förväntade mängden litium-7 är cirka tre gånger större än vad som faktiskt observeras. Detta betyder att det finns en lucka i vår kunskap om bildandet av det tidiga universum. Det finns flera teoretiska och observationsstrategier som syftar till att lösa detta, men Hayakawa och hans team simulerade förhållanden under BBN med partikelstrålar, detektorer och en observationsmetod som kallas den trojanska hästen.
"Vi granskade mer än någonsin tidigare en av BBN-reaktionerna, där beryllium-7 och en neutron sönderfaller till litium-7 och en proton. De resulterande nivåerna av överflöd av litium-7 var något lägre än förväntat, cirka 10% lägre, ", sade Hayakawa. "Detta är en mycket svår reaktion att observera eftersom beryllium-7 och neutroner är instabila. Så vi använde deuteron, en vätekärna med en extra neutron, som ett fartyg för att smuggla in en neutron i en beryllium-7-stråle utan att störa den. Detta är en unik teknik, utvecklad av en italiensk grupp vi samarbetar med, där deuteron är som den trojanska hästen i grekisk myt, och neutronen är soldaten som smyger in i den ointagliga staden Troja utan att tippa av vakterna (destabilisera provet). Tack vare det nya experimentresultatet, vi kan erbjuda framtida teoretiska forskare en något mindre skrämmande uppgift när de försöker lösa CLP."
