Strax efter Big Bang, radioaktiva atomer av typen beryllium-7, bland andra, kom till. I dag, i hela universum, de har sedan länge förfallit och förekommer inte naturligt, i motsats till deras förfallna produkt litium. Nu har forskare vid Paul Scherrer Institute PSI hjälpt till att bättre förstå de första minuterna i universum:De samlade artificiellt producerat beryllium-7 och gjorde det till ett prov som kunde undersökas. Beryllium-7 undersöktes därefter av forskare vid CERN. Den gemensamma studien av PSI, CERN, och 41 andra forskningsinstitutioner tar itu med det så kallade kosmologiska litiumproblemet:Det finns en markant skillnad mellan mängden litium som Big Bang-teorin förutspår ska finnas i universum och mängden litium som faktiskt observeras. Enligt föreliggande studie, det verkar nu mer troligt att orsaken till detta kosmologiska litiumproblem ligger i den teoretiska beskrivningen av universums ursprung. Det vetenskapliga samfundet måste därför fortsätta leta efter en lösning på det kosmologiska litiumproblemet. Forskarna publicerade nu sina resultat i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Forskare vid Paul Scherrer-institutet har gett en svårt vunnit pusselbit mot en bättre förståelse av universums ursprung:De kunde ta fram ett urval av extremt sällsynta och kortlivade atomer från isotopen beryllium-7. Senare, på CERN, det var möjligt att sondera denna beryllium-7-i praktiken dess interaktion med neutroner - med mycket mer precision än någonsin tidigare.

Eftersom beryllium-7 genom sitt radioaktiva sönderfall blir litium-7, Att studera det kan hjälpa till att knäcka ett grundläggande problem med Big Bang -teorin:Teorin förutsäger en tre till fyra gånger större mängd litium i universum än de faktiska mätningarna visar. Detta så kallade kosmologiska litiumproblem är en av de sista stora gåtorna i den nuvarande teorin om universums ursprung, eftersom för alla andra element som producerats strax efter Big Bang, teorin överensstämmer väl med de uppmätta data.

Nästan hela dagens litium-7 i universum kommer från det sönderfallna beryllium-7 som i sin tur bildades strax efter big bang. Således undersökte forskarna frågan om det kan ha varit mindre beryllium i början än man tidigare trott, vilket skulle kunna rensa upp det kosmologiska litiumproblemet. En av de sista möjligheterna som fortfarande kan kontrolleras var det så kallade neutronfångstvärsnittet av beryllium-7. Detta värde förutsäger sannolikheten för att en beryllium-7 atomkärna kommer att fånga en fri neutron och sedan förfalla.

"Neutronfångstvärsnittet av beryllium-7 mättes senast, oriktigt i jämförelse, för ungefär 50 år sedan, "förklarar PSI -forskaren Dorothea Schumann, chef för forskargruppen Isotope and Target Chemistry. Denna nyckeltal bör nu undersökas vid CERN, mer exakt än någonsin tidigare. Beryllium-7-provet som behövs för detta tillhandahålls av PSI-forskarna.

År med förberedelser och provkörningar

Produktionen och mätningen av beryllium-7-provet var som en engångs teaterföreställning, för vilka forskarna var tvungna att göra cirka tre års förberedande arbete och testkörningar. Beryllium-7 försvinner så snabbt genom radioaktivt sönderfall att mängden reduceras med hälften ungefär var 53:e dag. Därför måste allt vara på plats innan själva körningen på både PSI och CERN, såväl som för transport mellan de två institutionerna - så att så kort tid som möjligt skulle gå mellan produktionen av provet och mätningen.

Idén till experimentet uppstod 2012. PSI-forskaren Schumann visste att hon kunde extrahera det sällsynta beryllium-7 från kylvattnet från Swiss Spallation Neutron Source SINQ, som drivs vid PSI för experiment med neutronstrålar.

"Här på PSI, med SINQ och de andra stora forskningsanläggningarna, vi har unika källor för att skörda sällsynta radioaktiva isotoper, "Schumann säger." För forskarna som driver och använder dessa anläggningar, dessa isotoper är en biprodukt-men för många andra forskningsinstitutioner, de är mycket användbara och akut nödvändiga. "Liksom guldprospektörer, Schumann och hennes forskargrupp extraherar dessa sällsynta isotoper. "Och då fungerar vi som ett gränssnitt för andra forskare utanför PSI som är intresserade av berikade prover av dessa isotoper."

CERN är intresserad

Forskare vid CERN visade intresse för att få ett prov av beryllium-7. "Med det, de visste att de kunde hantera det kosmologiska litiumproblemet, "Förklarar Schumann.

Så Schumann och hennes team började med förberedelserna:Inom PSI, Schumann tog kontakt med forskare och ingenjörer som driver SINQ. Ett speciellt filtersystem som uppfyllde isotopforskarnas specifikationer kopplades till kylvattnet i SINQ, som kunde samla material innehållande en lämplig mängd beryllium-7 under en period av cirka tre veckor. "Till lekmannen, vårt filter kan anses vara ganska likt det välkända hushållsfiltret för kranvatten, "säger Stephan Heinitz, forskare i Schumanns forskargrupp.

Sedan, bland annat, de material som samlats in på detta sätt måste separeras kemiskt. "Detta kräver särskild expertis - som vi lyckligtvis har i min forskargrupp, "Säger Schumann. Ändå, denna procedur tog ytterligare en vecka och måste utföras, för skydd mot strålning från materialet, i en så kallad het cell-ett laboratorium inrättat för manipulation av radioaktiva material.

En transportvikt på 800 kilo

Därifrån, det koncentrerade provet av beryllium-7 måste överföras till ett lämpligt fäste, och detta i sin tur till en apparat av storleken på en kastrull, som uppfyllde specifikationerna för användning i den experimentella installationen på CERN. "Apparaten samt de strålningssäkra behållarna för överföring av materialet-allt var skräddarsytt, "berättar Emilio Maugeri, en annan forskare i Schumanns grupp.

Till sist, arrangemang måste organiseras och godkännas för att transportera en stor mängd radioaktivt material från PSI till CERN.

"Det faktiska provet som vi levererade till CERN innehöll bara några miljoner av ett gram beryllium-7, "Schumann förklarar." Men den nödvändiga skärmningen gav transportvikten upp till 800 kilo. "

Inom den kritiska tidsperioden allt lyckades enligt plan. CERN-forskarna kunde genomföra experimentet med PSI-provet och bestämma det hittills otillräckligt kända neutronavskiljningstvärsnittet av beryllium-7.

Det kosmologiska litiumproblemet förblir olöst

CERN- och PSI-forskarna och deras medarbetare från 41 andra forskningsinstitutioner var särskilt intresserade av en speciell sönderfallsväg för beryllium-7:sannolikheten för en process genom vilken en atomkärna av beryllium-7 fångar upp en fri neutron-det vill säga en elementär partikel utan nettoladdning. Samtidigt lämnar en av protonerna berylliumkärnan. Således, eftersom kärnan nu innehåller en proton mindre (och en neutron till), berylliumatomen förvandlar sig till en atom av elementet litium:Det blir litium-7. Det så kallade neutronfångstvärsnittet-det vill säga sannolikheten för hela denna process - beror på energin som den fria neutronen har. Därför utnyttjade forskarna möjligheten vid CERN att variera neutronernas energi, och de gjorde en mätserie för ett brett spektrum av neutronenergier.

Ändå har dessa senaste mätningar av neutronfångstvärsnittet inte löst det kosmologiska litiumproblemet. Schumann säger, "Med de nya mätningarna, CERN-forskarna kunde fastställa tvärsnittet för neutronfångst så exakt att det nu är klart:Det kosmologiska litiumproblemet kan inte lösas på detta sätt; det kvarstår fortfarande. Det vetenskapliga samfundet måste fortsätta leta efter en förklaring. "