意大利地下核天体物理实验室的物理学家们在一个氘靶上发射了一束质子(粉色)并测量了聚变速率。

在意大利一座隐蔽的实验室里，物理学家们重现了宇宙大爆炸两到三分钟后发生的核反应。他们对反应速率的测量结果发表在昨天的《自然》杂志上，确定了被称为大爆炸核聚变的一系列步骤中最不确定的因素（大爆炸核聚变产生了宇宙中第一颗原子核）。

据英国杜伦大学天体物理学家莱恩·库克说，研究人员对这个结果“欣喜若狂”。“会有很多人对粒子物理、核物理、宇宙学和天文学感兴趣，”他说。

反应涉及到氘，这是一种氢的同位素，由一个质子和一个中子组成，在宇宙最初的三分钟内聚变而成。大部分的氘迅速聚变成更重、更稳定的元素，比如氦和锂。但有一些“活到了今天”。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的天体物理学家布莱恩菲尔兹说，“我们的体内有几克氘，它们来自大爆炸。”

剩下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，以及它们在宇宙膨胀中如何迅速分离。意大利国家核物理研究所的核天体物理学家卡洛·古斯塔维诺说，氘是“那个时代的一个特殊的超级见证”。

但物理学家只有知道氘与质子聚变形成同位素氦-3的速率，才能推断出这些信息。地下核天体物理实验室（LUNA）合作所进行的新测量已经确定了这一速率。

宇宙中最早的探测器

氘的产生是大爆炸核聚变的第一步，当宇宙还是由质子和中子组成的超级热但快速冷却的“汤”时，发生了一系列核反应。

从20世纪40年代开始，核物理学家发展了一系列连锁方程式，描述了氢、氦和锂的各种同位素如何组合成原子核，如何聚变并吸收质子和中子（较重的元素是很久以后才在恒星内部形成的）。从那以后，研究人员在实验室里通过复制原始核反应测试了这些方程式的大部分方面。

在此过程中，他们取得了重大发现。这些计算在20世纪70年代首次提供了暗物质存在的一些证据。大爆炸核聚变也使物理学家能够预测不同类型的中微子的数量，这有助于推动宇宙膨胀。

宇宙微波背景辐射图，宇宙最初的样子

但近十年来，关于氘是否有可能吸收质子并转化为氦-3的不确定性，使宇宙最初几分钟的景象变得模糊不清。最重要的是，这种不确定性使物理学家无法将这幅图景与大爆炸38万年后宇宙的样子进行比较。大爆炸38万年后，宇宙冷却到足以让电子开始绕原子核运动。这个过程释放出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，检查宇宙的密度是否像预期的那样从一个周期变化到另一个周期。如果两幅图不一致，“理解这一点将是非常非常重要的，”库克说。对于顽固的宇宙问题（比如暗物质的本质）的解决方案，可以在这个缺口中找到，也可以在外来新粒子的第一个迹象中找到。“在大爆炸后的一两分钟到大爆炸后的几十万年之间，可能会发生很多事情，”库克说。