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The cosmological lithium problem: a hint from n_TOF

A puzzling discrepancy between the observed primordial lithium abundance in the universe and its theoretical prediction, known as the cosmological lithium problem, is about to be reduced, thanks to new measurements. At the neutron time-of-flight facility n_TOF at CERN, the key reaction cross-sections have been measured for the first time.
Some details of the preparation of the experiment at n_TOF and the 7Be(n,α) measured cross-section

DIFA Authors: C. Massimi, F. Mingrone, G. Vannini

DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.152701

Web: http://journals.aps.org/prl/highlights

Cern news: http://home.cern/about/updates/2016/10/ntof-plays-hide-and-seek-cosmological-lithium

Publication: M. Barbagallo, et al. Physical Review Letters 117 (2016) 152701

 

The Big Bang nucleosynthesis (BBN) describes the production of the light elements formed during the first minutes of the evolution of the universe, and represents the earliest event in the history of the universe for which confirmable predictions can be made. These predictions are in excellent agreement with measured primordial abundances for 1H, 2H e 4He, whereas 7Li shows a discrepancy of a factor of 3. Where this discrepancy comes from? BBN rests on the microphysics of nuclear reaction cross-sections and the physics of the Standard Model. In BBN, the primordial abundances depend on only one free parameter, the baryon density of the universe, which has been precisely determined by the WMAP measurements of the cosmic microwave background radiation. The involved reaction cross-sections are well known with the exception of the neutron-induced reactions, which are responsible for the destruction of the 7Be. Since the primordial 7Li is mainly produced by the decay of 7Be (T1/2=53 d) these cross sections represent a candidate for solving the cosmological lithium problem.

The radioactivity of the 7Be target makes any measurement attempt challenging. Thanks to the excellent features of the neutron time-of-flight facility n_TOF, at CERN, the destruction rate of the 7Be has been measured for the first time. The measured cross section is significantly lower than that used in cosmological models, suggesting a lower production of primordial 7Li. This important result, made possible by the Italian researchers associated to the INFN research activities, has been published on Physical Review Letters and has been highlighted by the editors as an Editors’ Suggestion.

Problema del litio primordiale: n_TOF indica la strada

Il problema cosmologico del litio si riferisce a una discrepanza enigmatica tra l’osservazione dell’abbondanza di litio primordiale nell’universo e la sua previsione teorica, nota come problema cosmologico del litio, sta per essere ridotta grazie a nuove misure. Presso la facility per tempi di volo di neutroni n_TOF al CERN è stata misurata per la prima volta la sezione d’urto che potrebbe rappresentare la chiave per sbloccare questa interessante questione irrisolta della fisica moderna.

Il modello di nucleosintesi del Big Bang (BBN) predice l’abbondanza di nuclei leggeri prodotti nei primi minuti dopo il Big Bang, rappresentando quindi il più antico evento nella storia dell’universo per il quale è possibile confrontare la predizione teorica con i dati sperimentali. Se si osserva nel dettaglio, ne emerge un perfetto accordo per 1H, 2H e 4He, mentre per il 7Li la discrepanza è significativa (circa un fattore 3). Qual è la causa? Il modello di BBN si basa sulle sezioni d’urto delle reazioni nucleari coinvolte e sui processi fisici descritti dal Modello Standard. Il solo parametro libero del BBN è la densità barionica dell’universo, che è stata ricavata con precisione dalla sonda WMAP studiando la radiazione cosmica di fondo. Le sezioni d’urto coinvolte sono ben note, fatta eccezione per quelle indotte da neutroni e responsabili della distruzione del 7Be, dal cui decadimento (T1/2=53 d) si genera il litio primordiale. Queste sezioni d’urto rappresentano quindi un ottimo candidato per una possibile spiegazione del problema cosmologico del litio.

La radioattività del bersaglio di 7Be rende particolarmente difficile qualsiasi tentativo di misura. Ma grazie alle eccellenti caratteristiche della facility per tempi di volo di neutroni n_TOF al CERN, è stata misurata per la prima volta la probabilità di distruzione del 7Be, grazie al fondamentale apporto del gruppo italiano che fa capo all’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Le misure indicano una sezione d’urto di cattura significativamente minore di quanto inserito attualmente nei modelli cosmologici, suggerendo una possibile minore produzione di 7Li primordiale. I dettagli dell’esperimento e i risultati sono stati pubblicati su Physical Review Letters e l’articolo ha ricevuto un importante riconoscimento: è stato selezionato come “a PRL Editors' Suggestion.”