Una soluzione per il mistero del litio cosmico?

Una decina di secondi dopo il Big Bang, la temperatura dell’Universo scese a qualche miliardo di gradi kelvin e iniziò la sintesi dei nuclei leggeri: deuterio, elio, berillio, litio. (Per la sintesi dei nuclei più pesanti occorrerà aspettare che l’Universo diventi abbastanza vecchio da ospitare le stelle).

Partendo dalle conoscenze di fisica nucleare, negli ultimi sessanta anni i cosmologi sono stati in grado di ricostruire completamente la rete di reazioni avvenute in questa fase della vita dell’Universo. Il successo di questa ricostruzione è sancito dall’accordo con le osservazioni delle predizioni della teoria per le abbondanze di deuterio ed elio, e rende la teoria della nucleosintesi primordiale un pilastro della Cosmologia moderna.

Quindi, tutto bene. No: la teoria della nucleosintesi primordiale predice un’abbondanza per il litio-7 circa 3 volte maggiore di quella dedotta dall’osservazione dell’atmosfera di stelle molto antiche. C’è da dire che questa misura potrebbe essere inquinata da fenomeni di evoluzione astrofisica successivi alla nucleosintesi primordiale. È anche vero, però, che sono stati proposti parecchi meccanismi astrofisici che possono portare alla riduzione del litio, ma nessuno ha risolto completamente il problema. Per tale ragione, Goudelis, Pospelov e Prader [1] hanno rielaborato lo scenario della nucleosintesi primordiale alla luce della possibile esistenza di particelle elementari estranee al Modello Standard.

Il litio-7 è prodotto nel decadimento del berillio-7, a sua volta originato dalla fusione di due isotopi dell’elio. Nel modello proposto dagli autori, la produzione del berillio-7 – quindi, l’abbondanza del litio-7 – viene ridotta in conseguenza dell’esistenza di una particella leggera, elettricamente neutra, che interagisce direttamente con protone e neutrone. Affinché questa modifica non alteri la predizione dello scenario standard per l’abbondanza di deuterio ed elio, la nuova particella deve avere una massa compresa tra circa 2 e 20 MeV e una vita media compresa tra 100 e 10,000 secondi. 

Gli autori avanzano anche l’ipotesi che questa particella possa essere una sorta di assione con debole accoppiamento con il quark d, da ricercare nei futuri esperimenti con collisori di grande luminosità. (Danilo Babusci)

[1] – A. Goudelis, M. Pospelov, J. Pradler, Light Particle Solution to the Cosmic Lithium Problem, Phys. Rev. Lett. 116 211303 (2016) arXiv:1510.08858