Beryllium-7 atom hjælper med at kontrollere uoverensstemmelser i Big Bang-teorien

Kort efter Big Bang, radioaktive atomer af typen beryllium-7, blandt andre, blev til. I dag, i hele universet, de er for længst henfaldet og forekommer ikke naturligt, i modsætning til deres henfaldsprodukt lithium. Nu har forskere ved Paul Scherrer Institute PSI hjulpet med at forstå de første minutter af universet bedre:De indsamlede kunstigt produceret beryllium-7 og lavede det til en prøve, der kunne undersøges. Beryllium-7 blev efterfølgende undersøgt af forskere ved CERN. PSI's fælles undersøgelse, CERN, og 41 andre forskningsinstitutioner adresserer det såkaldte kosmologiske lithium-problem:Der er en markant uoverensstemmelse mellem mængden af ​​lithium, som Big Bang-teorien forudsiger bør være i universet, og mængden af ​​lithium, der faktisk observeres. Ifølge nærværende undersøgelse, det forekommer nu mere sandsynligt, at årsagen til dette kosmologiske lithiumproblem ligger i den teoretiske beskrivelse af universets oprindelse. Det videnskabelige samfund bliver således nødt til at blive ved med at søge efter en løsning på det kosmologiske lithiumproblem. Forskerne har nu offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Forskere ved Paul Scherrer Instituttet har givet en hårdt tilkæmpet puslespilsbrik til en bedre forståelse af universets oprindelse:De var i stand til at producere en prøve af ekstremt sjældne og kortlivede atomer af isotopen beryllium-7. Efterfølgende hos CERN, det var muligt at sondere denne beryllium-7 – i praksis, dets interaktion med neutroner - med langt mere præcision end nogensinde før.

Da beryllium-7 gennem sit radioaktive henfald bliver til lithium-7, at studere det kan hjælpe med at knække et grundlæggende problem i Big Bang-teorien:Teorien forudsiger en tre til fire gange større mængde lithium i universet, end faktiske målinger viser. Dette såkaldte kosmologiske lithiumproblem er en af ​​de sidste store gåder i den nuværende teori om universets oprindelse, fordi for alle andre grundstoffer produceret kort efter Big Bang, teorien stemmer godt overens med de målte data.

Stort set alt det nuværende lithium-7 i universet kommer fra det henfaldne beryllium-7, som igen blev dannet kort efter big bang. Således undersøgte forskerne spørgsmålet om, hvorvidt der kunne have været mindre beryllium i begyndelsen end tidligere antaget, som kunne klare det kosmologiske lithiumproblem. En af de sidste muligheder, der stadig var åbne for at blive kontrolleret, var det såkaldte neutronfangst-tværsnit af beryllium-7. Denne værdi forudsiger sandsynligheden for, at en beryllium-7 atomkerne vil fange en fri neutron og efterfølgende henfalde.

"Neutronfangst-tværsnittet af beryllium-7 blev sidst målt, upræcist til sammenligning, for omkring 50 år siden, " forklarer PSI-forsker Dorothea Schumann, leder af isotop- og målkemi-forskningsgruppen. Denne nøglefigur skal nu undersøges på CERN, mere præcist end nogensinde før. Beryllium-7-prøven, der er nødvendig til dette, blev leveret af PSI-forskerne.

Års forberedelse og testkørsler

Produktionen og målingen af ​​beryllium-7 prøven var som en engangs teaterforestilling, som forskerne skulle lave omkring tre års forberedende arbejde og prøvekørsler til. Beryllium-7 forsvinder så hurtigt gennem radioaktivt henfald, at dets mængde reduceres til det halve omtrent hver 53. dag. Derfor skulle alt være på plads inden selve løbeturen hos både PSI og CERN, samt til transport mellem de to institutioner – så der går så kort tid som muligt mellem fremstillingen af ​​prøven og målingen.

Idéen til eksperimentet opstod i 2012. PSI-forsker Schumann vidste, at hun kunne udvinde den sjældne beryllium-7 fra kølevandet fra den schweiziske spallationsneutronkilde SINQ, som drives på PSI til forsøg med neutronstråler.

"Her hos PSI, med SINQ og de andre store forskningsfaciliteter, vi har unikke kilder til at høste sjældne radioaktive isotoper, " siger Schumann. "For de forskere, der driver og bruger disse faciliteter, disse isotoper er et biprodukt – men for mange andre forskningsinstitutioner, de er meget nyttige og et presserende behov." Ligesom guldprospektører, Schumann og hendes forskergruppe udvinder disse sjældne isotoper. "Og så fungerer vi som en grænseflade til andre forskere uden for PSI, som er interesserede i berigede prøver af disse isotoper."

CERN er interesseret

Forskere ved CERN viste interesse for at få en prøve af beryllium-7. "Med det, de vidste, at de kunne tackle det kosmologiske lithiumproblem, " forklarer Schumann.

Så Schumann og hendes team gik i gang med forberedelserne:Inden for PSI, Schumann tog kontakt til de videnskabsmænd og ingeniører, der driver SINQ. Et særligt filtersystem, der opfylder isotopforskernes specifikationer, blev forbundet til kølevandet fra SINQ, som kunne opsamle materiale indeholdende en passende mængde beryllium-7 over en periode på omkring tre uger. "Til lægmanden, vores filter kan opfattes som værende ret lig det velkendte husholdningsfilter til postevand, siger Stephan Heinitz, videnskabsmand i Schumanns forskningsgruppe.

Derefter, blandt andet, de på denne måde indsamlede materialer skulle adskilles kemisk. "Det kræver særlig ekspertise - som vi heldigvis har i min forskergruppe, " siger Schumann. Ikke desto mindre, denne procedure tog endnu en uge og skulle udføres, til beskyttelse mod stråling fra materialet, i en såkaldt hot cell – et laboratorium indrettet til manipulation af radioaktive materialer.

En transportvægt på 800 kg

Derfra, den koncentrerede prøve af beryllium-7 skulle overføres til en passende montering, og dette til gengæld til et apparat på størrelse med en kogegryde, som opfyldte specifikationer til brug i forsøgsopstillingen på CERN. "Udstyret såvel som de strålingssikre beholdere til at overføre materialet – det hele var specialfremstillet, " fortæller Emilio Maugeri, en anden forsker i Schumanns gruppe.

Endelig, ordninger skulle organiseres og godkendes for at transportere en tung last radioaktivt materiale fra PSI til CERN.

"Den faktiske prøve, som vi leverede til CERN, indeholdt kun nogle få milliontedele af et gram beryllium-7, ", forklarer Schumann. "Men den nødvendige afskærmning bragte transportvægten op på 800 kg."

Inden for det kritiske tidsrum, alt lykkedes efter planen. CERN-forskerne var i stand til at udføre eksperimentet med PSI-prøven og bestemme det hidtil utilstrækkeligt kendte neutronfangst-tværsnit af beryllium-7.

Det kosmologiske lithiumproblem forbliver uløst

CERN- og PSI-forskerne og deres samarbejdspartnere fra 41 andre forskningsinstitutioner var især interesserede i en bestemt henfaldsvej for beryllium-7:sandsynligheden for en proces, hvorved en atomkerne af beryllium-7 fanger en fri neutron – dvs. en elementær partikel uden nettoladning. Samtidig forlader en af ​​protonerne berylliumkernen. Dermed, da kernen nu indeholder en proton mindre (og en neutron mere), berylliumatomet omdanner sig til et atom af grundstoffet lithium:Det bliver lithium-7. Det såkaldte neutronfangst-tværsnit – dvs. sandsynligheden for hele denne proces – afhænger af den energi, den frie neutron har. Derfor benyttede forskerne sig af muligheden på CERN til at variere neutronernes energi, og de lavede en måleserie for en lang række neutronenergier.

Alligevel har disse seneste målinger af neutronfangst-tværsnittet ikke løst det kosmologiske lithiumproblem. Schumann siger, "Med de nye målinger, CERN-forskerne var i stand til at bestemme neutronfangstværsnittet så præcist, at det nu står klart:Det kosmologiske lithiumproblem kan ikke løses på denne måde; det fortsætter stadig. Det videnskabelige samfund bliver nødt til at blive ved med at lede efter en forklaring."