Peu de temps après le Big Bang, atomes radioactifs de type béryllium-7, entre autres, il s'est avéré. Aujourd'hui, dans tout l'univers, ils se sont depuis longtemps décomposés et ne se produisent pas naturellement, contrairement à leur produit de désintégration, le lithium. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI ont aidé à mieux comprendre les premières minutes de l'univers :ils ont collecté du béryllium-7 produit artificiellement et en ont fait un échantillon qui pourrait être étudié. Le béryllium-7 a ensuite été sondé par des chercheurs du CERN. L'étude conjointe du PSI, CERN, et 41 autres instituts de recherche abordent le soi-disant problème cosmologique du lithium :il existe un écart marqué entre la quantité de lithium que la théorie du Big Bang prédit devrait être dans l'univers et la quantité de lithium réellement observée. Selon la présente étude, il apparaît maintenant plus probable que la cause de ce problème cosmologique de lithium réside dans la description théorique de l'origine de l'univers. La communauté scientifique devra donc continuer à chercher une solution au problème cosmologique du lithium. Les chercheurs ont maintenant publié leurs résultats dans la revue Lettres d'examen physique .

Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer ont fourni une pièce du puzzle durement gagnée pour une meilleure compréhension de l'origine de l'univers :ils ont pu produire un échantillon d'atomes extrêmement rares et à courte durée de vie de l'isotope béryllium-7. Ensuite, au CERN, il a été possible de sonder ce béryllium-7 – en pratique, son interaction avec les neutrons – avec beaucoup plus de précision que jamais.

Puisque par sa désintégration radioactive le béryllium-7 devient lithium-7, l'étudier peut aider à résoudre un problème fondamental de la théorie du Big Bang :la théorie prédit une quantité de lithium trois à quatre fois plus importante dans l'univers que ne le montrent les mesures réelles. Ce problème dit cosmologique du lithium est l'une des dernières grandes énigmes de la théorie actuelle de l'origine de l'univers, car pour tous les autres éléments produits peu après le Big Bang, la théorie est bien conforme aux données mesurées.

Pratiquement tout le lithium-7 actuel dans l'univers provient du béryllium-7 décomposé qui à son tour s'est formé peu de temps après le big bang. Ainsi, les chercheurs se sont penchés sur la question de savoir s'il n'y avait pas eu moins de béryllium au début qu'on ne le croyait auparavant, ce qui pourrait éclaircir le problème cosmologique du lithium. L'une des dernières possibilités encore ouvertes à être vérifiées était la section efficace de capture de neutrons du béryllium-7. Cette valeur prédit la probabilité qu'un noyau atomique de béryllium-7 capture un neutron libre et se désintègre par la suite.

"La section efficace de capture de neutrons du béryllium-7 a été mesurée pour la dernière fois, imprécis par comparaison, il y a environ 50 ans, " explique Dorothea Schumann, chercheuse au PSI, chef du groupe de recherche Isotope and Target Chemistry. Ce chiffre clé devrait maintenant être étudié au CERN, plus précisément que jamais. L'échantillon de béryllium-7 nécessaire à cette fin a été fourni par les chercheurs du PSI.

Des années de préparation et de tests

La production et la mesure de l'échantillon de béryllium-7 étaient comme une représentation théâtrale unique, pour laquelle les chercheurs ont dû effectuer environ trois ans de travaux préparatoires et de tests. Le béryllium-7 disparaît si rapidement par désintégration radioactive que sa quantité est réduite de moitié environ tous les 53 jours. Par conséquent, tout devait être en place avant l'exécution réelle au PSI et au CERN, ainsi que pour le transport entre les deux institutions – afin que le moins de temps possible s'écoule entre la production de l'échantillon et la mesure.

L'idée de l'expérience est née en 2012. La chercheuse du PSI Schumann savait qu'elle pouvait extraire le rare béryllium-7 de l'eau de refroidissement de la source suisse de neutrons de spallation SINQ, qui est exploité au PSI pour des expériences avec des faisceaux de neutrons.

"Ici au PSI, avec le SINQ et les autres grands centres de recherche, nous avons des sources uniques pour récolter des isotopes radioactifs rares, ", dit Schumann. "Pour les chercheurs qui exploitent et utilisent ces installations, ces isotopes sont un sous-produit - mais pour de nombreux autres instituts de recherche, ils sont très utiles et urgents." Comme les chercheurs d'or, Schumann et son groupe de recherche extraient ces isotopes rares. "Et puis nous agissons comme une interface avec d'autres chercheurs en dehors du PSI qui s'intéressent aux échantillons enrichis de ces isotopes."

Le CERN est intéressé

Des chercheurs du CERN se sont montrés intéressés à obtenir un échantillon de béryllium-7. "Avec ça, ils savaient qu'ils pouvaient s'attaquer au problème cosmologique du lithium, " explique Schumann.

Alors Schumann et son équipe se sont mis aux préparatifs :Au sein du PSI, Schumann a pris contact avec les scientifiques et les ingénieurs qui exploitent le SINQ. Un système de filtrage spécial répondant aux spécifications des chercheurs en isotopes a été connecté à l'eau de refroidissement du SINQ, qui pourrait recueillir du matériel contenant une quantité appropriée de béryllium-7 sur une période d'environ trois semaines. « Au profane, notre filtre peut être considéré comme assez similaire au filtre domestique familier pour l'eau du robinet, " dit Stéphane Heinitz, scientifique dans le groupe de recherche de Schumann.

Puis, entre autres, les matériaux ainsi rassemblés devaient être séparés chimiquement. "Cela nécessite une expertise particulière - que nous avons heureusement dans mon groupe de recherche, " dit Schumann. Néanmoins, cette procédure a pris encore une semaine et a dû être effectuée, pour la protection contre les rayonnements du matériau, dans une cellule dite chaude – un laboratoire mis en place pour la manipulation de matières radioactives.

Un poids de transport de 800 kilogrammes

De là, l'échantillon concentré de béryllium-7 a dû être transféré dans une monture appropriée, et ceci à son tour dans un appareil de la taille d'une marmite, qui répondait aux spécifications d'utilisation dans l'installation expérimentale du CERN. « L'appareil ainsi que les conteneurs résistants aux radiations pour le transfert du matériel – tout a été fait sur mesure, " raconte Emilio Maugeri, un autre chercheur du groupe de Schumann.

Finalement, des dispositions ont dû être organisées et approuvées pour transporter une lourde charge de matières radioactives du PSI au CERN.

"L'échantillon réel que nous avons livré au CERN ne contenait que quelques millionièmes de gramme de béryllium-7, " explique Schumann. " Mais le blindage requis a porté le poids de transport jusqu'à 800 kilogrammes. "

Dans la période critique, tout s'est déroulé comme prévu. Les chercheurs du CERN ont pu réaliser l'expérience avec l'échantillon du PSI et déterminer la section efficace de capture des neutrons du béryllium-7 jusqu'à présent insuffisamment connue.

Le problème cosmologique du lithium reste sans solution

Les scientifiques du CERN et du PSI et leurs collaborateurs de 41 autres instituts de recherche se sont particulièrement intéressés à une voie de désintégration particulière du béryllium-7 :la probabilité d'un processus par lequel un noyau atomique de béryllium-7 piège un neutron libre, c'est-à-dire une particule élémentaire sans charge nette. Au même moment, l'un des protons quitte le noyau de béryllium. Ainsi, puisque le noyau contient maintenant un proton de moins (et un neutron de plus), l'atome de béryllium se transforme en un atome de l'élément lithium :il devient lithium-7. La section efficace de capture de neutrons, c'est-à-dire la probabilité de tout ce processus – dépend de l'énergie que possède le neutron libre. Les chercheurs ont donc profité de la possibilité au CERN de faire varier l'énergie des neutrons, et ils ont réalisé une série de mesures pour une large gamme d'énergies neutroniques.

Pourtant, ces dernières mesures de la section efficace de capture neutronique n'ont pas résolu le problème cosmologique du lithium. Schumann dit, "Avec les nouvelles mesures, les chercheurs du CERN ont pu déterminer la section efficace de capture des neutrons avec une telle précision qu'elle est désormais claire :le problème cosmologique du lithium ne peut pas être résolu de cette manière; ça persiste encore. La communauté scientifique devra continuer à chercher une explication."