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L’esperimento LUNA fa luce sulla densità della materia che compone tutto ciò che conosciamo nell’Universo

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 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 a una discussione delle loro conseguenze cosmologiche, sono stati pubblicati sulla rivista Nature.

“In questo particolare studio – spiega Gianluca Imbriani 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 astroparticellare e cosmologia teorica dell’Università Federico II di Napoli 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”. 

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.

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. La densità di materia barionica 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. 

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

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 l’ATOMKI di Debrecen e il Konkoly Observatory di Budapest per l’Ungheria.

La collaborazione LUNA annovera una forte componente di ricercatori sia della Sezione INFN di Padova che del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova. La presenza di LUNA a Padova inizia nel 1993, con la venuta dal Gran Sasso di Carlo Broggini, che poi diventerà spokesperson della collaborazione. L’attività si è sin dall’inizio focalizzata sulla realizzazione ed acquisizione dati di set-up con rivelatori γ al germanio, come quello usato nella misura sopra descritta. La ricerca si è concentrata all’inizio sullo studio delle più importanti reazioni di combustione dell’idrogeno nelle stelle, in particolare nel Sole, per consentire il calcolo preciso del flusso e dello spettro dei neutrini solari. Terminata la fase “solare”, è iniziata la fase, tuttora in corso, focalizzata sui processi di combustione dell’idrogeno nei cicli che si innescano a temperature maggiori di quella del Sole, e che sono responsabili della produzione degli elementi sino all’alluminio. Il prossimo decennio sarà dedicato allo studio delle reazioni fondamentali della combustione dell’elio e del carbonio nelle stelle con il nuovo acceleratore da 3.5 MV del progetto LUNA-MV, che sarà installato il prossimo anno ai laboratori sotterranei del Gran Sasso. Sono infatti questi i processi che determinano l’abbondanza galattica di gran parte degli elementi che popolano la tavola periodica e l’evoluzione delle stelle più massicce sino all’esplosione delle Supernovae.

Il gruppo LUNA di Padova è ora costituito da Carlo Broggini, Antonio Caciolli, Rosanna Depalo, Paola Marigo, Roberto Menegazzo, Denise Piatti e Jakub Skowronski, con Antonio Caciolli responsabile locale INFN.

L’articolo può essere letto qui: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2878-4
Il sito LUNA Padova: http://npgroup.pd.infn.it/luna/index.html
Contatti: Carlo Broggini – , Antonio Caciolli –