Pouco depois do Big Bang, átomos radioativos do tipo berílio-7, entre outros, passou a existir. Hoje, em todo o universo, eles já se deterioraram há muito tempo e não ocorrem naturalmente, em contraste com o lítio, produto de decomposição. Agora, pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI ajudaram a entender melhor os primeiros minutos do universo:eles coletaram o berílio-7 produzido artificialmente e o transformaram em uma amostra que poderia ser investigada. O berílio-7 foi posteriormente testado por pesquisadores do CERN. O estudo conjunto da PSI, CERN, e 41 outras instituições de pesquisa abordam o chamado problema cosmológico do lítio:há uma discrepância marcante entre a quantidade de lítio que a teoria do Big Bang prevê que deveria estar no universo e a quantidade de lítio realmente observada. De acordo com o presente estudo, agora parece mais provável que a causa desse problema cosmológico do lítio esteja na descrição teórica da origem do universo. A comunidade científica terá, portanto, de continuar buscando uma solução para o problema cosmológico do lítio. Os pesquisadores agora publicaram seus resultados na revista Cartas de revisão física .

Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer forneceram uma peça do quebra-cabeça duramente conquistada para uma melhor compreensão da origem do universo:eles foram capazes de produzir uma amostra de átomos extremamente raros e de vida curta do isótopo berílio-7. Subseqüentemente, no CERN, foi possível sondar este berílio-7 - na prática, sua interação com nêutrons - com muito mais precisão do que nunca.

Uma vez que, por meio de seu decaimento radioativo, o berílio-7 se torna lítio-7, estudá-lo pode ajudar a resolver um problema fundamental da teoria do Big Bang:a teoria prevê uma quantidade três a quatro vezes maior de lítio no universo do que mostram as medições reais. Este chamado problema cosmológico do lítio é um dos últimos grandes enigmas da teoria atual da origem do universo, porque para todos os outros elementos produzidos logo após o Big Bang, a teoria está de acordo com os dados medidos.

Praticamente todo o lítio-7 atual do universo vem do berílio-7 decadente que, por sua vez, se formou logo após o big bang. Assim, os pesquisadores estavam investigando a questão de saber se poderia ter havido menos berílio no início do que se acreditava anteriormente, o que poderia resolver o problema cosmológico do lítio. Uma das últimas possibilidades ainda abertas a serem verificadas era a chamada seção transversal de captura de nêutrons do berílio-7. Esse valor prevê a probabilidade de que um núcleo atômico de berílio-7 capture um nêutron livre e, subsequentemente, decaia.

"A seção transversal de captura de nêutrons do berílio-7 foi medida pela última vez, imprecisamente em comparação, cerca de 50 anos atrás, "explica a pesquisadora do PSI Dorothea Schumann, chefe do grupo de pesquisa Isotope and Target Chemistry. Esta figura-chave agora deve ser investigada no CERN, com mais precisão do que nunca. A amostra de berílio-7 necessária para isso foi fornecida pelos pesquisadores do PSI.

Anos de preparação e testes

A produção e medição da amostra de berílio-7 foi como uma apresentação de teatro única, para o qual os pesquisadores tiveram que fazer cerca de três anos de trabalho preparatório e corridas de teste. O berílio-7 desaparece tão rapidamente por meio do decaimento radioativo que sua quantidade é reduzida pela metade a cada 53 dias. Portanto, tudo tinha que estar em posição antes da execução real no PSI e no CERN, bem como para o transporte entre as duas instituições - de forma que transcorresse o mínimo de tempo possível entre a produção da amostra e a medição.

A ideia para o experimento surgiu em 2012. Schumann, pesquisadora do PSI, sabia que poderia extrair o raro berílio-7 da água de resfriamento da Fonte de Nêutrons de Espalação Suíça SINQ, que é operado em PSI para experimentos com feixes de nêutrons.

"Aqui no PSI, com a SINQ e outras grandes instalações de pesquisa, temos fontes únicas para a coleta de isótopos radioativos raros, "Schumann diz." Para os pesquisadores que operam e usam essas instalações, esses isótopos são um subproduto - mas para muitas outras instituições de pesquisa, eles são muito úteis e necessários com urgência. "Como os garimpeiros, Schumann e seu grupo de pesquisa extraem esses isótopos raros. "E então agimos como uma interface para outros pesquisadores fora do PSI que estão interessados ​​em amostras enriquecidas desses isótopos."

CERN está interessado

Pesquisadores do CERN demonstraram interesse em obter uma amostra de berílio-7. "Com isso, eles sabiam que poderiam resolver o problema cosmológico do lítio, "Schumann explica.

Então Schumann e sua equipe começaram os preparativos:No PSI, Schumann fez contato com os cientistas e engenheiros que operam o SINQ. Um sistema de filtro especial atendendo às especificações dos pesquisadores de isótopos foi conectado à água de resfriamento do SINQ, que pode coletar material contendo uma quantidade adequada de berílio-7 ao longo de um período de cerca de três semanas. "Para o leigo, nosso filtro pode ser considerado bastante semelhante ao filtro doméstico familiar para água da torneira, "diz Stephan Heinitz, cientista do grupo de pesquisa de Schumann.

Então, entre outras coisas, os materiais recolhidos desta forma tiveram de ser separados quimicamente. "Isso requer conhecimento especial - o que, felizmente, temos em meu grupo de pesquisa, "Schumann diz. No entanto, este procedimento demorou mais uma semana e teve que ser realizado, para proteção contra radiação do material, em uma chamada célula quente - um laboratório montado para a manipulação de materiais radioativos.

Um peso de transporte de 800 quilogramas

De lá, a amostra concentrada de berílio-7 teve que ser transferida para uma montagem adequada, e isso por sua vez em um aparelho do tamanho de uma panela, que atendeu às especificações para uso na configuração experimental no CERN. "O aparelho, bem como os recipientes à prova de radiação para a transferência do material - tudo feito sob medida, "relata Emilio Maugeri, outro pesquisador do grupo de Schumann.

Finalmente, arranjos tiveram que ser organizados e aprovados para transportar uma carga pesada de materiais radioativos de PSI para o CERN.

"A amostra real que entregamos ao CERN continha apenas alguns milionésimos de grama de berílio-7, "Schumann explica." Mas a blindagem necessária aumentou o peso de transporte para 800 quilos. "

Dentro do período crítico de tempo, tudo deu certo de acordo com o plano. Os pesquisadores do CERN foram capazes de realizar o experimento com a amostra PSI e determinar a seção transversal de captura de nêutrons até então insuficientemente conhecida do berílio-7.

O problema cosmológico do lítio permanece sem solução

Os cientistas do CERN e PSI e seus colaboradores de 41 outras instituições de pesquisa estavam especialmente interessados ​​em um caminho de decadência específico do berílio-7:a probabilidade de um processo pelo qual um núcleo atômico de berílio-7 aprisiona um nêutron livre - isto é, uma partícula elementar sem carga líquida. Ao mesmo tempo, um dos prótons deixa o núcleo de berílio. Assim, uma vez que o núcleo agora contém um próton a menos (e mais um nêutron), o átomo de berílio se transforma em um átomo do elemento lítio:torna-se lítio-7. A chamada seção transversal de captura de nêutrons - isto é, a probabilidade de todo esse processo - depende da energia que o nêutron livre tem. Portanto, os pesquisadores aproveitaram a possibilidade do CERN de variar a energia dos nêutrons, e eles fizeram uma série de medições para uma ampla gama de energias de nêutrons.

No entanto, essas últimas medições da seção transversal de captura de nêutrons não resolveram o problema cosmológico do lítio. Schumann diz, "Com as novas medidas, os pesquisadores do CERN foram capazes de determinar a seção transversal de captura de nêutrons com tanta precisão que agora está claro:o problema cosmológico do lítio não pode ser resolvido desta forma; ainda persiste. A comunidade científica terá que continuar procurando uma explicação. "