物理学家在宇宙大爆炸后的瞬间锁定了核反应
在意大利一座山下隐蔽的实验室里，物理学家重现了宇宙大爆炸后两到三分钟内发生的核反应。
他们对反应速率的测量发表在今天的《自然》(Nature)杂志上，确定了一系列步骤中最不确定的因素，即大爆炸核合成，这一步骤锻造了宇宙中的第一个原子核。
英国达勒姆大学(Durham University)的天体物理学家瑞安·库克(Ryan Cooke)没有参与这项研究，他表示，研究人员对这一结果感到“欣喜若狂”。他说：“会有很多人对粒子物理、核物理、宇宙学和天文学感兴趣。”
这个反应涉及氘，一种氢的形式，由一个质子和一个中子组成，在宇宙的前三分钟内聚变。大多数的氘很快就会聚变成更重、更稳定的元素，比如氦和锂。但也有一些活到了今天。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois，Urbana-Champaign)的天体物理学家布莱恩·菲尔兹(Brian Fields)说，“你体内有几克的氘，它们来自宇宙大爆炸。”
剩余的氘的精确数量揭示了最初几分钟的关键细节，包括质子和中子的密度，以及它们被宇宙膨胀分开的速度。在意大利国家核物理研究所工作的核天体物理学家卡洛·古斯塔维诺(Carlo Gustavino)说，氘是“那个时代的特殊超级见证者”。
但物理学家只有在知道氘与质子聚变形成同位素氦-3的速率后才能推断出这些信息。地下核天体物理实验室(露娜)合作的新测量就是这个速度。
氘的产生是大爆炸核合成的第一步，大爆炸核合成是一系列核反应，发生在宇宙是一个由质子和中子组成的超热但迅速冷却的汤汤时。
从20世纪40年代开始，核物理学家开发了一系列相互关联的方程，描述了氢、氦和锂的各种同位素如何聚集成原子核，并融合和吸收质子和中子。(更重的元素在恒星内部形成的时间要晚得多。)。自那以后，研究人员通过在实验室中复制原始核反应来测试方程式的大部分方面。
在这样做的过程中，他们取得了根本性的发现。这些计算提供了上世纪70年代暗物质存在的第一批证据。大爆炸核合成还使物理学家能够预测不同类型中微子的数量，这有助于推动宇宙膨胀。
但近十年来，关于氘吸收质子并转变为氦-3的可能性的不确定性，使宇宙最初几分钟的景象变得模糊起来。最重要的是，这种不确定性使物理学家无法将这张照片与38万年后的宇宙相提并论，当时宇宙冷却到足以让电子开始绕原子核运行。这一过程释放了被称为宇宙微波背景的辐射，提供了当时宇宙的快照。
宇宙学家希望根据他们的宇宙演化模型，检查宇宙密度是否如预期的那样从一个时期变化到另一个时期。库克说，如果这两张照片不一致，“这将是一件非常非常重要的事情。”解决顽固宇宙学问题的办法--比如暗物质的性质--可以在这个空隙中找到，就像奇异新粒子的最初迹象一样。库克说：“在宇宙大爆炸后的一两分钟和宇宙大爆炸后的几十万年之间，可能会发生很多事情。”
但是，让研究人员进行这类比较的最重要的氘反应速率是很难测量的。菲尔兹说：“你是在实验室里以一种受控的方式模拟宇宙大爆炸。”
物理学家上一次尝试测量是在1997年。从那时起，对宇宙微波背景的观测变得越来越精确，这给研究大爆炸核合成的物理学家带来了压力，要求他们与这一精度相匹配--从而可以对这两个时代进行比较。
2014年，库克和他的合著者通过观测遥远的气体云，精确测量了宇宙中氘的丰度。但为了将这种丰度转化为对原始物质密度的精确预测，他们需要一个更好的氘反应速率测量方法。
让情况进一步混乱的是，2016年发布的对这一比率的纯理论估计与1997年的实验室测量结果不一致。
“这是一个非常混乱的场景，”古斯塔维诺(Gustavino)说，他是露娜合作项目的成员。在这一点上，我对Collaboration…变得咄咄逼人。因为露娜可以准确地衡量这种反应。“
测量氘与质子聚变的难易程度的部分挑战在于，在实验室条件下，这种反应并不经常发生。露娜的实验每秒都会向一个氘目标发射100万亿质子。一天只有几个会融合。
增加难度的是，不断落在地球表面的宇宙射线可以模仿氘反应产生的信号。弗朗西丝卡·卡凡纳(Francesca Cavanna)和桑德拉·扎瓦塔雷利(Sandra Zavatarelli)共同领导了露娜的数据收集和分析工作，她说：“因此，我们在一个地下实验室里，多亏了岩石的覆盖，我们可以从宇宙的沉默中受益。”
在三年多的时间里，科学家们轮流在意大利格兰萨索山脉深处的一个实验室里轮班工作一周。卡凡纳说：“这很令人兴奋，因为你真的感觉自己置身于科学之中。”随着他们逐渐收集数据，来自更广泛的物理界的压力越来越大。团队成员玛丽亚卢萨·阿里奥塔(Marialuisa Aliotta)说，“人们有很大的期待，有很多期待。”
事实证明，该团队最新公布的测量结果可能会让宇宙学家失望，因为他们正在寻找宇宙如何运作的模型中的裂痕。
测得的速率介于2016年的理论预测和1997年的测量之间。测得的速率表明，在原始核合成时代发现的温度范围内，氘与质子融合形成氦-3的速度有多快。更重要的是，当物理学家将这个速率输入到大爆炸核合成方程中时，他们预测了原始物质密度和宇宙膨胀率，这与38万年后对宇宙微波背景的观测结果非常一致。
阿利奥塔说：“它本质上告诉我们，到目前为止，宇宙学的标准模型是相当正确的。”
这本身就挤压了下一代宇宙模型必须填补的空白。专家表示，一些暗物质理论甚至可能会被结果排除在外。
这比支持奇异的新宇宙成分或效应的证据更令人兴奋。但阿利奥塔说，在这个精密天文学的时代，科学家们“从小步开始”。菲尔兹对此表示赞同：“我们一直在努力在预测方面、测量方面和观察方面做得更好。”
即将到来的是下一代宇宙微波背景测量。与此同时，随着人们对氘的行为有了更好的理解，其他原始核反应和元素丰度的不确定性也变得更加紧迫。
根据菲尔兹的说法，一个由来已久的“大爆炸核合成药膏中的苍蝇”是，根据氘和宇宙微波背景计算出的物质密度预测，宇宙中的锂应该比我们实际观察到的多三倍。
“还有很多未知数，”阿利奥塔说。“未来会带来什么，这将是非常有趣的。”