Przejdź do treści

Nowe dane o braku litu we Wszechświecie

https://www.technology.org/2021/07/01/closing-the-gap-on-the-missing-lithium

Istnieje znaczna rozbieżność między teoretyczną a obserwowaną ilością litu we Wszechświecie. Znana jest jako kosmologiczny problem litu i od dziesięcioleci niepokoi kosmologów. Teraz naukowcy donoszą, że zmniejszyli tę rozbieżność o około 10% dzięki nowemu eksperymentowi z procesami jądrowymi odpowiedzialnymi za powstawanie litu. Badania te mogą torować drogę do pełniejszego zrozumienia wczesnego kosmosu.

Słynne powiedzenie mówi: Teoretycznie teoria i praktyka są tym samym. W praktyce tak nie jest. Odnosi się to zasadniczo do każdej dziedziny wiedzy, ale zdaje się szczególnie powszechne w kosmologii, rozumianej jako nauka badająca Wszechświat w całości. W kosmologii często zdarza się, że to, co (jak przynajmniej sądzimy!) powinniśmy zobaczyć i to, co naprawdę widzimy, po prostu nie pasuje do siebie. To dla naukowców spory problem, bo wiele zjawisk kosmologicznych jest trudnych do zbadania ze względu na ich niedostępność. Zjawiska te są zwykle poza naszym zasięgiem, ze względu na występujące w nich ekstremalne odległości i skale czasowe. Większość z nich miała miejsce, nim jeszcze ludzki umysł mógł się nimi w ogóle zająć. Tak jest w szczególności w przypadku Wielkiego Wybuchu.

Seiya Hayakawa i Hidetoshi Yamaguchi z Centrum Badań Jądrowych Uniwersytetu w Tokio oraz ich międzynarodowy zespół są szczególnie zainteresowani pewnym wybranym obszarem kosmologii, w którym teoria i obserwacja są wyraźnie rozbieżne. To właśnie znany od lat problem brakującego litu. Co to oznacza? Krótko mówiąc, współczesne wiodące teorie kosmologiczne przewidują, że w ciągu kilku minut po Wielkim Wybuchu obfitość litu powinna stać się około trzy razy większa niż wartość, jaką faktycznie obserwujemy obecnie w przypadku tego pierwiastka elementarnego. Hayakawa i jego zespół być może jednak wyjaśnili niedawno choć część tej rozbieżności, w dodatku torując w ten sposób drogę do badań, które pewnego dnia mogą tę zagadkę całkowicie rozwiązać.

13,7 miliarda lat temu, gdy materia dopiero powstawała po początkowym Wielkim Wybuchu, tak zwane lekkie pierwiastki – wodór, hel, lit i beryl – powstały w procesie, który nazywamy nukleosyntezą. Ale nukleosynteza nie jest prostym łańcuchem wydarzeń, w którym jedna rzecz staje się po prostu następną w prostej i sekwencyjnej przemianie. Jest to raczej złożona sieć procesów, w których mieszanina protonów i neutronów buduje jądra atomowe, a wówczas niektóre z nich rozpadają się na inne jądra atomowe. Na przykład obfitość jednej postaci litu –  tzw. izotopu litu-7 – wynika głównie z produkcji i rozpadu izotopu berylu-7.

Jednak wszystko zdaje się wskazywać na to, że albo ilość tego konkretnego izotopu litu została przeszacowana w teorii, albo niedostatecznie dokladnie zaobserwowana w rzeczywistości, albo też zaszła kombinacja obu przyczyn. Aby rozwiązać tę zagadkę, trzeba w każdym razie najpierw zrozumieć, co dokladnie się tam wówczas (czyli: bardzo, bardzo dawno temu) wydarzyło.

Lit-7 jest najczęściej występującymm izotopem litu, stanowi przy tym 92,5% wszystkich obserwowanych izotopów tego pierwiastka. Jednak mimo faktu, że przyjęte modele nukleosyntezy przewidują względne ilości wszystkich pierwiastków z ogromną dokładnością i zgodnie z obserwacjami, oczekiwana (wskazywana przez nie) ilość litu-7 jest około trzy razy większa niż faktycznie obserwowana we Wszechświecie. Oznacza to, że istnieje pewna (raczej spora) luka w naszej wiedzy na temat ewolucji bardzo wczesnego Wszechświata. Istnieje kilka podejść teoretycznych i obserwacyjnych, które mają na celu rozwiązanie problemu brakującego litu. Hayakawa i jego zespół zdecydowali się przeprowadzić symulację warunków panujących podczas pierwotnej nukleozyntezy z pomocą wiązek cząstek, detektorów i metody obserwacyjnej znanej pod nazwą... koń trojański.

Zbadaliśmy lepiej niż kiedykolwiek wcześniej jedną z reakcji nukleozyntezy, w której beryl-7 i neutron rozpadają się na lit-7 i proton. Uzyskane poziomy obfitości litu-7 były w niej nieco niższe niż oczekiwano, około 10% niższe – powiedział Hayakawa. Jest to bardzo trudna reakcja do zaobserwowania, ponieważ beryl-7 i neutrony są niestabilne. Użyliśmy deuteronu, jądra wodoru z dodatkowym neutronem, jako swoistego „naczynia” do przemycania neutronu do wiązki berylu-7 bez naruszania jej samej. Jest to unikalna technika – opracowana przez włoską grupę, z którą współpracujemy – w której deuteron jest jak koń trojański z greckiego mitu, a neutron to wówczas żołnierz wkradający się do niezdobytego miasta Troi bez zwrócenia uwagi strażników (czyli, mówiąc językiem nauki, bez destabilizacji całej próbki). Dzięki temu nowemu wynikowi eksperymentu możemy zaoferować przyszłym badaczom z zakresu fizyki teoretycznej pewne ułatwienie przy próbie rozwikłania zagadki brakującego litu – dodaje kosmolog.

Tajemnica nadal zatem pozostaje do rozwiązania.


Czytaj więcej:

 

Źródło: University of Tokyo

Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
 

Na zdjęciu: Gdy z lewej strony nadlatuje wiązka berylu, „koń trojański”, czyli deuteron, przechwytuje go w drodze do celu i dostarcza mu „neutronowego żołnierza”. Pozwala to na wychwycenie produktów rozpadu reakcji berylu i neutronu przez zakrzywiony układ sześciu detektorów widocznych po prawej stronie. Źródło: Hayakawa et al.

Reklama