Dans un endroit isolé laboratoire enterré sous une montagne en Italie, des physiciens ont recréé une réaction nucléaire qui s’est produite entre deux et trois minutes après le Big Bang.

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Leur mesure de la vitesse de réaction, publié le 11 novembre dans La nature, définit le facteur le plus incertain dans une séquence d’étapes connues sous le nom de nucléosynthèse du Big Bang qui ont forgé les premiers noyaux atomiques de l’univers.

Les chercheurs sont «ravis» du résultat, selon Ryan Cooke, un astrophysicien de l’université de Durham au Royaume-Uni qui n’était pas impliqué dans les travaux. “Il y aura beaucoup de gens intéressés par la physique des particules, la physique nucléaire, la cosmologie et l’astronomie”, a-t-il déclaré.

La réaction implique du deutérium, une forme d’hydrogène constituée d’un proton et d’un neutron qui a fusionné dans les trois premières minutes du cosmos. La plupart du deutérium a rapidement fusionné en éléments plus lourds et plus stables comme l’hélium et le lithium. Mais certains ont survécu jusqu’à nos jours. “Vous avez quelques grammes de deutérium dans votre corps, qui provient du Big Bang”, a déclaré Brian Fields, astrophysicien à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign.

La quantité précise de deutérium qui reste révèle des détails clés sur ces premières minutes, y compris la densité des protons et des neutrons et la rapidité avec laquelle ils se sont séparés par l’expansion cosmique. Le Deutérium est «un super-témoin spécial de cette époque», a déclaré Carlo Gustavino, astrophysicien nucléaire à l’Institut national italien de physique nucléaire.

Mais les physiciens ne peuvent déduire ces informations que s’ils connaissent la vitesse à laquelle le deutérium fusionne avec un proton pour former l’isotope hélium-3. C’est à ce rythme que la nouvelle mesure du Laboratoire d’astrophysique nucléaire souterraine (LUNA) la collaboration s’est arrêtée.

La première sonde de l’univers

La création de Deutérium a été la première étape de la nucléosynthèse du Big Bang, une séquence de réactions nucléaires cela s’est produit lorsque le cosmos était une soupe de protons et de neutrons très chaude mais se refroidissant rapidement.

Départ dans les années 40, les physiciens nucléaires ont développé une série d’équations imbriquées décrivant comment divers isotopes de l’hydrogène, de l’hélium et du lithium s’assemblaient en tant que noyaux fusionnaient et absorbaient des protons et des neutrons. (Des éléments plus lourds ont été forgés beaucoup plus tard à l’intérieur des étoiles.) Les chercheurs ont depuis testé la plupart des aspects des équations en reproduisant les réactions nucléaires primordiales en laboratoire.

Ce faisant, ils ont fait des découvertes radicales. Les calculs ont offert certaines des premières preuves de présence de matière noire dans les années 1970. La nucléosynthèse du Big Bang a également permis aux physiciens prédire le nombre de différents types de neutrinos, qui ont contribué à l’expansion cosmique.

Mais pour presque une décennie maintenant, l’incertitude quant à la probabilité que le deutérium absorbe un proton et se transforme en hélium-3 a brouillé le tableau des premières minutes de l’univers. Plus important encore, l’incertitude a empêché les physiciens de comparer cette image à ce à quoi ressemblait le cosmos 380 000 ans plus tard, lorsque l’univers s’est suffisamment refroidi pour que les électrons commencent à orbiter autour des noyaux atomiques. Ce processus a libéré un rayonnement appelé le fond cosmique micro-ondes qui fournit un instantané de l’univers à l’époque.

Les cosmologistes veulent vérifier si la densité du cosmos a changé d’une période à l’autre comme prévu en fonction de leurs modèles d’évolution cosmique. Si les deux images ne sont pas d’accord, «ce serait une chose vraiment très importante à comprendre», a déclaré Cooke. Des solutions à des problèmes cosmologiques obstinément persistants – comme la nature de la matière noire – pourraient être trouvées dans cette lacune, tout comme les premiers signes de nouvelles particules exotiques. “Beaucoup de choses peuvent arriver entre une minute ou deux après le Big Bang et plusieurs centaines de milliers d’années après le Big Bang”, a déclaré Cooke.

Mais la vitesse de réaction du deutérium très importante qui permettrait aux chercheurs de faire ce genre de comparaisons est très difficile à mesurer. “Vous simulez le Big Bang dans le laboratoire de manière contrôlée”, a déclaré Fields.

Les physiciens durent tenté une mesure en 1997. Depuis, les observations du fond cosmique des micro-ondes sont devenues de plus en plus précises, mettant la pression sur les physiciens qui étudient la nucléosynthèse du Big Bang pour correspondre à cette précision – et ainsi permettre une comparaison des deux époques.

En 2014, Cooke et ses coauteurs mesuré avec précision l’abondance du deutérium dans l’univers grâce à l’observation de nuages ​​de gaz lointains. Mais pour traduire cette abondance en une prédiction précise de la densité de matière primordiale, ils avaient besoin d’une bien meilleure mesure de la vitesse de réaction du deutérium.