C’è una reazione chiave di quel processo fondamentale, chiamato nucleosintesi primordiale, che ha portato alla produzione degli elementi chimici più leggeri nei primi momenti di vita del nostro universo: è la reazione per mezzo della quale da un protone e un nucleo di deuterio si ottiene uno dei due isotopi stabili dell’elio, l’Elio-3.

Questa reazione è stata ora indagata con una precisione mai raggiunta prima dall’esperimento LUNA – Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN: è stato così possibile raffinare i calcoli della nucleo sintesi primordiale,  ricavando un’accurata determinazione della densità della materia ordinaria, di cui è fatto tutto ciò che conosciamo, compresi gli esseri viventi.

I risultati della misura di LUNA, insieme a una discussione delle loro conseguenze cosmologiche, sono stati pubblicati sulla rivista Nature.

“In questo particolare studio – spiega Gianluca Imbriani, del Dipartimento di Fisica E. Pancini dell’Università Federico II di Napoli, responsabile della collaborazione LUNA – oltre alla nostra decennale esperienza nel campo dell’astrofisica nucleare sperimentale, ci siamo avvalsi della preziosa collaborazione del gruppo di fisica teorica astroparticellare della Federico II per ottenere un’accurata determinazione della densità barionica grazie al codice PArthENoPE, che simula il processo di nucleosintesi primordiale. Mentre, per la descrizione dell’interazione nucleare abbiamo collaborato con il gruppo di fisica nucleare teorica dell’Università di Pisa”.

“La collaborazione LUNA – aggiunge Imbriani – proseguirà la sua attività scientifica nel prossimo decennio con il progetto LUNA-MV, che sarà focalizzato sullo studio di processi chiave per la composizione chimica dell’universo e la nucleosintesi degli elementi più pesanti”.

Durante la loro vita le stelle convertono gli elementi chimici leggeri in elementi più pesanti, tramite processi di fusione nucleare. Non tutti gli elementi chimici però sono prodotti nelle stelle: il protone e il neutrone che costituiscono i primi mattoni per la costruzione di tutti gli elementi chimici, si formano nei primissimi istanti del big bang. Dopo circa 3 minuti dal Big Bang, la temperatura scende a un miliardo di gradi e il deuterio può finalmente essere prodotto dalla fusione di protoni e neutroni senza essere distrutto dall’interazione con i fotoni di alta energia.

Inizia così la sintesi degli elementi più leggeri, nota come nucleosintesi primordiale. “Riprodurre le abbondanze primordiali nei primi istanti di vita dell’universo – spiega Ofelia Pisanti del gruppo di fisica teorica astroparticellare del Dipartimento di Fisica E. Pancini, autrice e responsabile del codice evolutivo PArthENoPE – ci permette di determinare le condizioni fisiche dei suoi primi minuti di vita. A questo scopo, i processi fisici della nucleosintesi sono stati implementati in un codice numerico di alta precisione, PArthENoPE, sviluppato nel nostro gruppo comunità dei fisici delle astroparticelle“.

Nel silenzio cosmico dei Laboratori sotterranei del Gran Sasso, dove 1400 m di roccia proteggono le sale sperimentali dalle radiazioni esterne, l’esperimento LUNA è in grado di ricreare i processi che sono avvenuti durante la nucleosintesi primordiale e che tutt’ora avvengono nelle stelle, e di riportare con il suo acceleratore di particelle l’orologio indietro nel tempo fino a pochi minuti dopo la nascita dell’universo. L’abbondanza di deuterio primordiale è determinata principalmente dalla reazione misurata durante la lunga campagna di misure effettuate a LUNA.

Come spiega Gianpiero Mangano del gruppo di fisica teorica astroparticellare del Dipartimento di Fisica E. Pancini, “La precisione raggiunta nella misura di questo processo e lo studio teorico dettagliato della dinamica della nucleosintesi, realizzato in oltre due decadi di lavoro presso il Dipartimento di Fisica della Federico II e la sezione INFN di Napoli, hanno permesso di ottenere una determinazione della densità barionica che comincia a essere competitiva con quella ottenuta in esperimenti sulle anisotropie della radiazione di fondo come Planck, e lo sarà ancor di più alla luce degli sviluppi attesi nei prossimi anni sulle misure astrofisiche del deuterio primordiale prodotto durante la nucleosintesi”.

Questa ricerca rappresenta un ottimo esempio di ricerca interdisciplinare, che è riuscita a mettere insieme eccellenze nella fisica teorica e sperimentale, per dare una risposta alla quantificazione della materia barionica disponibile nell’universo. La Federico II ha avuto un ruolo importante in questa vicenda, poiché è stato il terreno fertile da cui è originata la collaborazione interdisciplinare, consentendo l’interscambio di competenze e informazioni fra gruppi differenti, che hanno concorso a questo importante risultato.

LUNA è una collaborazione scientifica internazionale composta da circa 50 ricercatori italiani, tedeschi, britannici ed ungheresi. In particolare, collaborano all’esperimento: i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, le sezioni INFN e le università di Bari, Genova, Milano Statale, Napoli Federico II, Padova, Roma Sapienza, Torino e l’Osservatorio di Teramo dell’INAF Istituto Nazionale di Astrofisica per l’Italia; l’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf per la Germania, la School of Physics and Astronomy dell’Università di Edimburgo per il Regno Unito e il MTA-ATOMKI di Debrecen e il Konkoli Observatory di Budapest per l’Ungheria. Il gruppo di fisica teorica astroparticellare della Federico II una storia ormai ventennale di ricerca, di formazione di giovani e di didattica.

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