Kort na de oerknal, radioactieve atomen van het type beryllium-7, onder andere, ontstond. Vandaag, in het hele universum, ze zijn allang vergaan en komen niet van nature voor, in tegenstelling tot hun vervalproduct lithium. Nu hebben onderzoekers van het Paul Scherrer Institute PSI geholpen om de eerste minuten van het universum beter te begrijpen:ze verzamelden kunstmatig geproduceerd beryllium-7 en maakten er een monster van dat kon worden onderzocht. De beryllium-7 werd vervolgens onderzocht door onderzoekers van CERN. De gezamenlijke studie van PSI, CERN, en 41 andere onderzoeksinstellingen pakken het zogenaamde kosmologische lithiumprobleem aan:er is een duidelijke discrepantie tussen de hoeveelheid lithium die volgens de oerknaltheorie in het universum zou moeten zijn en de hoeveelheid lithium die daadwerkelijk wordt waargenomen. Volgens de huidige studie, het lijkt nu waarschijnlijker dat de oorzaak van dit kosmologische lithiumprobleem ligt in de theoretische beschrijving van het ontstaan ​​van het heelal. De wetenschappelijke gemeenschap zal dus moeten blijven zoeken naar een oplossing voor het kosmologische lithiumprobleem. De onderzoekers publiceerden hun resultaten nu in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Onderzoekers van het Paul Scherrer Institute hebben een zwaarbevochten puzzelstukje geleverd om de oorsprong van het universum beter te begrijpen:ze waren in staat om een ​​monster van uiterst zeldzame en kortlevende atomen van de isotoop beryllium-7 te produceren. Vervolgens, bij CERN, het was mogelijk om deze beryllium-7 te onderzoeken - in de praktijk zijn interactie met neutronen – met veel meer precisie dan ooit tevoren.

Omdat beryllium-7 door zijn radioactieve verval lithium-7 wordt, het bestuderen ervan kan helpen om een ​​fundamenteel probleem van de oerknaltheorie op te lossen:de theorie voorspelt een drie tot vier keer grotere hoeveelheid lithium in het universum dan de werkelijke metingen laten zien. Dit zogenaamde kosmologische lithiumprobleem is een van de laatste grote raadsels van de huidige theorie over het ontstaan ​​van het heelal, want voor alle andere elementen die kort na de oerknal zijn geproduceerd, de theorie komt goed overeen met de gemeten gegevens.

Vrijwel al het huidige lithium-7 in het heelal is afkomstig van het vervallen beryllium-7 dat op zijn beurt kort na de oerknal werd gevormd. Zo onderzochten de onderzoekers de vraag of er in het begin misschien minder beryllium was dan eerder werd aangenomen, die het kosmologische lithiumprobleem zou kunnen oplossen. Een van de laatste mogelijkheden die nog moeten worden gecontroleerd, was de zogenaamde neutronenvangstdwarsdoorsnede van beryllium-7. Deze waarde voorspelt de kans dat een beryllium-7-atoomkern een vrij neutron zal invangen en vervolgens zal vervallen.

"De neutronenvangstdwarsdoorsnede van beryllium-7 is voor het laatst gemeten, onnauwkeurig in vergelijking, ongeveer 50 jaar geleden, " legt PSI-onderzoeker Dorothea Schumann uit, hoofd van de onderzoeksgroep Isotope and Target Chemistry. Dit sleutelcijfer moet nu worden onderzocht bij CERN, nauwkeuriger dan ooit tevoren. Het hiervoor benodigde beryllium-7-monster werd geleverd door de PSI-onderzoekers.

Jarenlange voorbereiding en testruns

De productie en meting van het beryllium-7-monster was als een eenmalige theatervoorstelling, waarvoor de onderzoekers zo'n drie jaar voorbereidend werk en proefdraaien moesten doen. Beryllium-7 verdwijnt zo snel door radioactief verval dat de hoeveelheid ongeveer elke 53 dagen met de helft wordt verminderd. Daarom moest alles voor de eigenlijke run in positie zijn bij zowel PSI als CERN, evenals voor het transport tussen de twee instellingen - zodat er zo min mogelijk tijd zou verstrijken tussen de productie van het monster en de meting.

Het idee voor het experiment ontstond in 2012. PSI-onderzoeker Schumann wist dat ze het zeldzame beryllium-7 uit het koelwater van de Zwitserse Spallation Neutron Source SINQ kon halen, die wordt gebruikt bij PSI voor experimenten met neutronenbundels.

"Hier bij PSI, met SINQ en de andere grote onderzoeksfaciliteiten, we hebben unieke bronnen voor het oogsten van zeldzame radioactieve isotopen, ", zegt Schumann. "Voor de onderzoekers die deze faciliteiten exploiteren en gebruiken, deze isotopen zijn een bijproduct – maar voor veel andere onderzoeksinstellingen ze zijn erg nuttig en dringend nodig." Net als goudzoekers, Schumann en haar onderzoeksgroep extraheren deze zeldzame isotopen. "En dan fungeren we als een interface voor andere onderzoekers buiten PSI die geïnteresseerd zijn in verrijkte monsters van deze isotopen."

CERN is geïnteresseerd

Onderzoekers van CERN toonden interesse in het verkrijgen van een monster van beryllium-7. "Daarmee, ze wisten dat ze het kosmologische lithiumprobleem konden aanpakken, ’ legt Schumann uit.

Dus gingen Schumann en haar team aan de slag:Binnen PSI, Schumann heeft contact gelegd met de wetenschappers en ingenieurs die SINQ bedienen. Op het koelwater van SINQ werd een speciaal filtersysteem aangesloten dat voldeed aan de specificaties van de isotooponderzoekers. die materiaal kon verzamelen dat een geschikte hoeveelheid beryllium-7 bevatte gedurende een periode van ongeveer drie weken. "Voor de leek, ons filter kan worden gezien als vergelijkbaar met het bekende huishoudfilter voor kraanwater, " zegt Stephan Heinitz, wetenschapper in de onderzoeksgroep van Schumann.

Vervolgens, onder andere, de op deze manier verzamelde materialen moesten chemisch worden gescheiden. "Dit vereist speciale expertise - die we gelukkig hebben in mijn onderzoeksgroep, " zegt Schumann. Toch, deze procedure duurde nog een week en moest worden uitgevoerd, voor bescherming tegen straling van het materiaal, in een zogenaamde hot cell – een laboratorium dat is ingericht voor het manipuleren van radioactieve stoffen.

Een transportgewicht van 800 kilogram

Vanaf daar, het geconcentreerde monster van beryllium-7 moest worden overgebracht naar een geschikte houder, en dit op zijn beurt in een apparaat ter grootte van een kookpot, die voldeed aan de specificaties voor gebruik in de experimentele opstelling bij CERN. "Het apparaat en de stralingsbestendige containers voor het overbrengen van het materiaal - allemaal op maat gemaakt, " vertelt Emilio Maugeri, een andere onderzoeker in de groep van Schumann.

Eindelijk, Er moesten regelingen worden getroffen en goedgekeurd om een ​​zware lading radioactief materiaal van PSI naar CERN te vervoeren.

"Het daadwerkelijke monster dat we aan CERN hebben geleverd, bevatte slechts een paar miljoenste gram beryllium-7, " legt Schumann uit. "Maar door de benodigde afscherming kwam het transportgewicht op 800 kilogram."

Binnen de kritieke periode, alles is volgens plan verlopen. De CERN-onderzoekers konden het experiment met het PSI-monster uitvoeren en de tot nu toe onvoldoende bekende neutronenvangstdwarsdoorsnede van beryllium-7 bepalen.

Het kosmologische lithiumprobleem blijft onopgelost

De CERN- en PSI-wetenschappers en hun medewerkers van 41 andere onderzoeksinstellingen waren vooral geïnteresseerd in een bepaald vervalpad van beryllium-7:de waarschijnlijkheid van een proces waarbij een atoomkern van beryllium-7 een vrij neutron vangt - dat wil zeggen, een elementair deeltje zonder netto lading. Tegelijkertijd verlaat een van de protonen de berylliumkern. Dus, aangezien de kern nu één proton minder bevat (en één neutron meer), het berylliumatoom verandert zichzelf in een atoom van het element lithium:het wordt lithium-7. De zogenaamde neutronenvangstdwarsdoorsnede - dat wil zeggen, de waarschijnlijkheid van dit hele proces - hangt af van de energie die het vrije neutron heeft. Daarom maakten de onderzoekers gebruik van de mogelijkheid bij CERN om de energie van de neutronen te variëren, en ze maakten een meetreeks voor een breed scala aan neutronenenergieën.

Toch hebben deze laatste metingen van de doorsnede van de neutronenvangst het kosmologische lithiumprobleem niet opgelost. Schumann zegt, "Met de nieuwe metingen, de CERN-onderzoekers waren in staat om de doorsnede van de neutronenvangst zo nauwkeurig te bepalen dat het nu duidelijk is:het kosmologische lithiumprobleem kan niet op deze manier worden opgelost; het houdt nog steeds aan. De wetenschappelijke gemeenschap zal moeten blijven zoeken naar een verklaring."