Il problema cosmologico del 7Li - considerazioni nucleari ed esperimento n_TOF

La nucleosintesi primordiale descrive le reazioni che hanno formato i primi elementi leggeri (H, 2H, 3He, 4He, 7Li) e ci da una previsione sull'andamento delle loro abbondanze primordiali in funzione del rapporto barioni-fotoni η, unico parametro libero della teoria BBN. Questo parametro è stato fissato dal momento in cui la sonda WMAP è stata lanciata in orbita; essa ha svolto misure importantissime sulla radiazione cosmica di fondo, fornendoci un valore accurato della densità barionica e quindi di η. Con questo nuovo dato sono state calcolate le abbondanze degli elementi leggeri ai tempi della nucleosintesi primordiale, tuttavia quella teorizzata per il 7Li non corrispondeva affatto a quella osservata nelle stelle dell'alone galattico, ma risultava essere dalle 2 alle 4 volte maggiore. Questa discrepanza costituisce il problema cosmologico del litio. Il problema può essere affrontato in diversi campi della fisica; il nostro scopo è quello di studiarlo dal punto di vista della fisica nucleare, analizzando le reazioni nucleari legate al 7Li. Il contributo principale alla produzione di 7Li proviene dal decadimento spontaneo del 7Be, quindi bisogna valutare il rate di reazione dei processi che producono o distruggono quest'ultimo nucleo; tale rate dipende dalla sezione d'urto della reazione. Un contributo fondamentale potrebbe essere dato dalle eventuali risonanze non ancora scoperte, cioè gli stati eccitati dei prodotti di reazione che si trovano ad energie non ancora studiate, in corrispondenza delle quali la sezione d'urto subisce un drastico aumento. Le due reazioni principali da considerare sono 7Be(n,p)7Li e 7Be(n,αlfa)4He; la prima perché contribuisce al 97% della distruzione del berillio, quindi una rivalutazione della sua sezione d'urto porterebbe ad un grande cambiamento nel valore dell'abbondanza di 7Be (e quindi di 7Li), la seconda poiché, anche se contribuisce solo al 2.5% della distruzione del berillio, possiede una incertezza enorme.

Beryllium 7 measured during POLARSTERN cruise ARK-XXII/2

The natural cosmogenic radionuclide 7Be (T1/2 = 53.4 d) is supplied to the surface ocean from the atmosphere and, in the Arctic Ocean, can be used as a tracer of the efficiency with which sea ice intercepts the atmospheric fluxes of chemical species and of the importance of ice as a transport mechanism for particulate matter and chemical species. Analyses of 7Be in samples of surface water, surface sea ice, water beneath the ice, sea ice sediments, and precipitation from the Eurasian Basin of the Arctic Ocean show that the fraction of sea ice coverage determines the amount of 7Be in the surface water. When sea ice coverage is <40%, the 7Be inventory in the upper ocean (130 ± 19 Bq m**-2) is in good agreement with that expected from the inventory from 7Be atmospheric flux (128 ± 21 Bq m**-2). In contrast, when ice coverage is >80%, the water column inventory drops to 58 ± 20 Bq m**-2. The 7Be inventory in sea ice is 39 ± 23 Bq m**-2, and mass balance calculations show that sea ice can intercept 30 ± 18% of the atmospheric flux of 7Be during the studied period. We suggest that other atmospherically transported contaminants should be similarly intercepted. 7Be in the ice also can be used to estimate that the annual transport and release of sediment to the ablation area of the Fram Strait is -500 g m**-2, a value comparable to previously measured fluxes in sediment traps deployed in the area.