The baryon density of the Universe from an improved rate of deuterium burning

V. Mossa, K. Stöckel, F. Cavanna, F. Ferraro, M. Aliotta, F. Barile, D. Bemmerer, A. Best, A. Boeltzig, C. Broggini, C. G. Bruno, A. Caciolli, T. Chillery, G. F. Ciani, P. Corvisiero, L. Csedreki, T. Davinson, R. Depalo, A. Leva, Z. Elekes, E. M. Fiore, A. Formicola, Zs. Fülöp, G. Gervino, A. Guglielmetti, C. Gustavino (), G. Gyürky, G. Imbriani, M. Junker, A. Kievsky, I. Kochanek, M. Lugaro, L. E. Marcucci, G. Mangano, P. Marigo, E. Masha, R. Menegazzo, F. R. Pantaleo, V. Paticchio, R. Perrino, D. Piatti, O. Pisanti, P. Prati, L. Schiavulli, O. Straniero, T. Szücs, M. P. Takács, D. Trezzi, M. Viviani and S. Zavatarelli ()
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V. Mossa: INFN, Sezione di Bari
K. Stöckel: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
F. Cavanna: INFN, Sezione di Genova
F. Ferraro: INFN, Sezione di Genova
M. Aliotta: University of Edinburgh
F. Barile: INFN, Sezione di Bari
D. Bemmerer: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
A. Best: Università degli Studi di Napoli “Federico II”
A. Boeltzig: Gran Sasso Science Institute
C. Broggini: INFN, Sezione di Padova
C. G. Bruno: University of Edinburgh
A. Caciolli: INFN, Sezione di Padova
T. Chillery: University of Edinburgh
G. F. Ciani: Gran Sasso Science Institute
P. Corvisiero: INFN, Sezione di Genova
L. Csedreki: Gran Sasso Science Institute
T. Davinson: University of Edinburgh
R. Depalo: INFN, Sezione di Padova
A. Leva: Università degli Studi di Napoli “Federico II”
Z. Elekes: Institute for Nuclear Research (Atomki)
E. M. Fiore: INFN, Sezione di Bari
A. Formicola: INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS)
Zs. Fülöp: Institute for Nuclear Research (Atomki)
G. Gervino: Università degli Studi di Torino
A. Guglielmetti: Università degli Studi di Milano
C. Gustavino: INFN, Sezione di Roma
G. Gyürky: Institute for Nuclear Research (Atomki)
G. Imbriani: Università degli Studi di Napoli “Federico II”
M. Junker: INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS)
A. Kievsky: INFN, Sezione di Pisa
I. Kochanek: INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS)
M. Lugaro: Konkoly Observatory, Research Centre for Astronomy and Earth Sciences, MTA Centre for Excellence
L. E. Marcucci: INFN, Sezione di Pisa
G. Mangano: Università degli Studi di Napoli “Federico II”
P. Marigo: INFN, Sezione di Padova
E. Masha: Università degli Studi di Milano
R. Menegazzo: INFN, Sezione di Padova
F. R. Pantaleo: INFN, Sezione di Bari
V. Paticchio: INFN, Sezione di Bari
R. Perrino: INFN, Sezione di Bari
D. Piatti: INFN, Sezione di Padova
O. Pisanti: Università degli Studi di Napoli “Federico II”
P. Prati: INFN, Sezione di Genova
L. Schiavulli: INFN, Sezione di Bari
O. Straniero: INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS)
T. Szücs: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
M. P. Takács: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
D. Trezzi: Università degli Studi di Milano
M. Viviani: INFN, Sezione di Pisa
S. Zavatarelli: INFN, Sezione di Genova

Nature, 2020, vol. 587, issue 7833, 210-213

Abstract: Abstract Light elements were produced in the first few minutes of the Universe through a sequence of nuclear reactions known as Big Bang nucleosynthesis (BBN)1,2. Among the light elements produced during BBN1,2, deuterium is an excellent indicator of cosmological parameters because its abundance is highly sensitive to the primordial baryon density and also depends on the number of neutrino species permeating the early Universe. Although astronomical observations of primordial deuterium abundance have reached percent accuracy3, theoretical predictions4–6 based on BBN are hampered by large uncertainties on the cross-section of the deuterium burning D(p,γ)3He reaction. Here we show that our improved cross-sections of this reaction lead to BBN estimates of the baryon density at the 1.6 percent level, in excellent agreement with a recent analysis of the cosmic microwave background7. Improved cross-section data were obtained by exploiting the negligible cosmic-ray background deep underground at the Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics (LUNA) of the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (Italy)8,9. We bombarded a high-purity deuterium gas target10 with an intense proton beam from the LUNA 400-kilovolt accelerator11 and detected the γ-rays from the nuclear reaction under study with a high-purity germanium detector. Our experimental results settle the most uncertain nuclear physics input to BBN calculations and substantially improve the reliability of using primordial abundances to probe the physics of the early Universe.

Date: 2020
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