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13 de Noviembre de 2020
COSMOLOGÍA

Miden con precisión una reacción nuclear que fue clave en el universo temprano

Los físicos han determinado la velocidad de una reacción de fusión que se produjo poco después de la gran explosión. El resultado concuerda con nuestra imagen de cómo era el cosmos a los 380.000 años.

Los físicos del Laboratorio Subterráneo de Astrofísica Nuclear (LUNA), en Italia, lanzaron un haz de protones (rosa) contra un blanco de deuterio y midieron la velocidad de la reacción de fusión. [Yuri Suvorov]

En un recóndito laboratorio enterrado bajo una montaña italiana, un equipo de físicos ha recreado una reacción nuclear que ocurrió entre dos y tres minutos después de la gran explosión.

Su medida de la velocidad de reacción, publicada esta semana en Nature, determina el factor más incierto de la nucleosíntesis primordial, una serie de pasos que condujeron a la formación de los primeros núcleos atómicos del universo.

Los investigadores están «encantados» con el resultado, de acuerdo con Ryan Cooke, astrofísico de la Universidad de Durham que no participó en el trabajo. «Despertará mucho interés entre quienes trabajan en física de partículas, física nuclear, cosmología y astronomía», vaticina.

En esa reacción participa el deuterio, una forma de hidrógeno que consta de un protón y un neutrón que se unieron en los primeros tres minutos del cosmos. La mayor parte del deuterio se fusionó rápidamente para dar lugar a elementos más pesados y estables como el helio y el litio. Pero una parte sobrevivió hasta el día de hoy. «En nuestros cuerpos hay unos pocos gramos de deuterio, que proceden de la gran explosión», subraya Brian Fields, astrofísico de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

La cantidad exacta de deuterio sobrante revela detalles clave sobre esos primeros minutos, por ejemplo la densidad de protones y neutrones, y la rapidez con que se separaron debido a la expansión cósmica. El deuterio es «un testigo de excepción de esa época», afirma Carlo Gustavino, astrofísico del Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia.

Pero los físicos solo pueden deducir esos datos si conocen la velocidad a la que el deuterio se fusiona con un protón para formar el isótopo helio 3. Esa tasa de reacción es la que ha determinado la nueva medición del Laboratorio Subterráneo de Astrofísica Nuclear (LUNA).

La primera sonda del universo

La creación del deuterio fue el primer paso de la nucleosíntesis primordial, una secuencia de reacciones nucleares que ocurrieron cuando el cosmos era una sopa de protones y neutrones que estaba muy caliente pero se enfriaba rápidamente.

A partir de la década de 1940, los físicos nucleares desarrollaron una serie de ecuaciones interconectadas que describían cómo se juntaron los distintos isótopos de hidrógeno, helio y litio a medida que los núcleos se fusionaban y absorbían protones y neutrones. (Los elementos más pesados se formaron mucho más tarde, en el interior de las estrellas.) Desde entonces, los investigadores han puesto a prueba casi todos los aspectos de esas ecuaciones, reproduciendo las reacciones nucleares primordiales en los laboratorios.

Al hacerlo, realizaron descubrimientos fundamentales. Los cálculos brindaron algunas de las primeras pruebas de la existencia de la materia oscura en la década de 1970. La nucleosíntesis primordial también permitió a los físicos predecir el número de tipos de neutrinos que ayudaron a impulsar la expansión cósmica.

Pero desde hace casi una década, la incertidumbre sobre la probabilidad de que el deuterio absorba un protón y se convierta en helio 3 ha empañado nuestra imagen de los primeros minutos del universo. Y lo que es más importante, esa incertidumbre ha impedido que los físicos comparen esa imagen con el aspecto que presentaba el cosmos 380.000 años más tarde, cuando se enfrió lo suficiente para que los electrones comenzaran a orbitar alrededor de los núcleos atómicos. Ese proceso liberó una radiación denominada fondo cósmico de microondas, que proporciona una instantánea del universo en ese momento.

Los cosmólogos quieren comprobar si la densidad del cosmos cambió entre esos dos período, como predicen sus modelos de evolución cósmica. Si las dos imágenes no concuerdan, «sería muy muy importante entender por qué», apunta Cooke. En esa discrepancia podría hallarse la solución a ciertos problemas cosmológicos persistentes (como la naturaleza de la materia oscura), así como los primeros signos de nuevas partículas exóticas. «Entre uno o dos minutos tras la gran explosión y varios cientos de miles de años después de ella, pueden ocurrir muchas cosas», incide Cooke.

Pero la trascendental velocidad de reacción del deuterio que permitiría a los investigadores hacer este tipo de comparaciones es muy difícil de medir. «Estamos simulando la gran explosión de manera controlada en un laboratorio», ilustra Fields.

La última vez que los físicos intentaron llevar a cabo esa medición fue en 1997. Desde entonces, las observaciones del fondo cósmico de microondas se han vuelto cada vez más precisas. Eso presiona a los físicos que estudian la nucleosíntesis primordial para alcanzar esa misma precisión, lo cual permitiría comparar ambas épocas.

En 2014, Cooke y sus colaboradores midieron de manera precisa la abundancia de deuterio en el universo por medio de observaciones de nubes de gas lejanas. Pero para traducir esa abundancia en una buena predicción de la densidad primordial de materia, necesitaban una medida mucho mejor de la velocidad de reacción del deuterio.

Para enmarañar aún más la situación, un cálculo puramente teórico de esa velocidad, publicado en 2016, discrepaba del valor medido en el laboratorio en 1997.

«La situación era muy confusa», admite Gustavino, que forma parte de la colaboración LUNA. «Llegados a este punto, me puse un poco pesado con mis colegas de la colaboración... porque LUNA podía medir esa reacción de forma exacta.»

Una combinación poco frecuente

Una parte del reto que supone determinar cuán fácilmente se fusionan el deuterio y un protón estriba en que, en condiciones de laboratorio, esa reacción no ocurre muy a menudo. Cada segundo, el experimento LUNA dispara 100 billones de protones contra un blanco de deuterio, y solo se producen unas pocas fusiones al día.

Para colmo de males, los rayos cósmicos que caen sin cesar sobre la superficie terrestre pueden producir la misma señal que las reacciones del deuterio. «Es por eso que trabajamos en un laboratorio subterráneo donde, gracias a la cubierta de roca, podemos sacar provecho del silencio cósmico», explica Francesca Cavanna, que dirigió la obtención y el análisis de los datos de LUNA junto con Sandra Zavatarelli.

Durante tres años, los científicos se turnaron para pasar períodos de una semana en dicho laboratorio, situado en el interior de la montaña italiana Gran Sasso. «Es emocionante, porque realmente sientes que estás dentro de la ciencia», relata Cavanna. A medida que iban recogiendo datos, aumentaba la presión que el conjunto de la comunidad física ejercía sobre ellos. «Había muchas expectativas, muchas esperanzas», rememora Marialuisa Aliotta, otra integrante del equipo.

Pero hete aquí que la medición que acaban de publicar puede suponer una decepción para los cosmólogos que buscan fisuras en su modelo del universo.

Pequeños pasos

La velocidad medida (que señala cómo de rápido tiende a fusionarse el deuterio con un protón para formar helio 3, en el intervalo de temperaturas que existían en la época de la nucleosíntesis primordial) se situó entre la predicción teórica de 2016 y la medición de 1997. Y lo que es más, cuando los físicos introducen esa velocidad en las ecuaciones de la nucleosíntesis, predicen una densidad primordial de materia y una tasa de expansión cósmica que concuerdan muy bien con las observaciones del fondo cósmico de microondas, liberado 380.000 años más tarde.

«Eso nos dice básicamente que, por el momento, el modelo cosmológico estándar es bastante correcto», sentencia Aliotta.

Como resultado, se reduce el espacio donde debería encajar la próxima generación de modelos cosmológicos. Los expertos sostienen que los resultados podrían incluso descartar algunas de las teorías propuestas para la materia oscura.

Habría sido más emocionante hallar indicios que apoyaran la existencia de nuevos ingredientes o efectos cósmicos exóticos. Pero en esta era de la astronomía de precisión, añade Aliotta, los científicos avanzan «dando pequeños pasos». Fields coincide: «Estamos constantemente tratando de mejorar en el terreno de las predicciones, en el de las mediciones y en el de las observaciones».

Ya se vislumbra la próxima generación de experimentos para medir el fondo cósmico de microondas. Mientras tanto, una vez que hemos entendido mejor el comportamiento del deuterio, eliminar las incertidumbres en otras reacciones nucleares y abundancias primordiales se torna más apremiante.

Un persistente sombra en nuestra comprensión de la nucleosíntesis primordial, según Fields, es que la densidad de materia calculada a partir del deuterio y del fondo cósmico de microondas predice que en el universo debería haber tres veces más litio del que observamos.

«Todavía persisten muchas incógnitas», concluye Aliotta. «Y el futuro nos deparará sorpresas muy interesantes.»

Thomas Lewton/Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «The baryon density of the Universe from an improved rate of deuterium burning», Viviana Mossa et al. en Nature, vol. 587, págs. 210–213, 12 de noviembre de 2020.

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