L’esperimento LUNA fa luce sulla densità della materia

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 (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare): è stato così possibile raffinare i calcoli della nucleosintesi 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 ad una discussione sulle loro conseguenze cosmologiche, sono stati pubblicati sulla rivista Nature.

LUNA è una collaborazione scientifica internazionale composta da circa 50 ricercatori italiani, tedeschi, britannici ed ungheresi. Per l’Italia 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 La Sapienza, Torino e l’Osservatorio di Teramo dell’INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica). Per gli altri paesi: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf per la Germania, MTA-ATOMKI di Debrecen e Osservatorio di Konkoly dell’Accademia Ungherese delle Scienze di Budapest per l’Ungheria e la School of Physics and Astronomy dell’Università di Edimburgo per il Regno Unito.

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 altri elementi, si formarono nei primissimi istanti del Big Bang. Circa 3 minuti dopo il Big Bang la temperatura scese ad un miliardo di gradi e il deuterio cominciò ad essere prodotto dalla fusione di protoni e neutroni senza essere distrutto dall’interazione con i fotoni di alta energia. Iniziò così la sintesi degli elementi più leggeri, nota come nucleosintesi primordiale.

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 avvengono nelle stelle e che avvennero durante la nucleosintesi primordiale 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 effettuata a LUNA. La densità di materia ottenuta attraverso il risultato di LUNA è in ottimo accordo con il valore ricavato dallo studio della radiazione cosmica di fondo, il residuo “fossile” del Big Bang.

Per l’Università degli Studi di Milano, collaborano all’esperimento LUNA Alessandra Guglielmetti, docente di Fisica nucleare del dipartimento di Fisica "Aldo Pontremoli" ed il suo gruppo di ricerca. In particolare Guglielmetti ha guidato la collaborazione dal 2009 al 2015 ed è Principal Investigator del progetto premiale LUNA MV, finanziato dal MIUR, con il quale si proseguirà l’attuale programma di LUNA focalizzandosi sullo studio di processi chiave per la composizione chimica dell’Universo e la nucleosintesi degli elementi più pesanti.