La Barrera de Masa-5

Para que podamos existir, teníamos que tener una estrella, el Sol, que está compuesto abrumadoramente de hidrógeno y helio. Pero después de que se formaran los deuterones y posteriormente se formaran núcleos de helio (partículas alfa), el proceso de "agrupamiento" para formar núcleos más masivos se detuvo. ¿Por qué?. Debido a que no hay ningún núcleo estable de masa 5. Las energías involucradas se ilustra en el diagrama de arriba. La energía de -2,2 MeV asociada con el deuterio, muestra que tiene una energía de enlace negativa, y es por lo tanto estable. Pero esto es 2,2 MeV, fuera de una energía de masa total de alrededor de 1876 MeV del deuterón, por lo que es un margen de estabilidad relativamente pequeño, y sólo se volvió estable cuando la expansión del universo se enfrió a cerca de 10⁹K. El deuterio en los inicios del universo se combinaba con rapidez para formar helio, que se puede considerar excepcionalmente estable. Pero los núcleos de masa-5 son muy inestables, por lo que no se formaron otros núcleos, excepto ínfimas cantidades de ⁷Li y ⁷Be. La formación de elementos más pesados tuvo que esperar a la operación de los hornos de fusión nuclear en el centro de las estrellas.

El deuterón es estable porque al experimentar la fuerza nuclear fuerte entre el neutrón y el protón, hay una reducción de masa asociada con la energía de enlace nuclear que hace que la masa del deuterón sea más pequeña que la suma de las masas del neutrón y del protón. Tiene entonces, una "cuesta arriba" de 2,2 MeV en materia de energía, para poder separarse de nuevo en un protón y un neutrón.

Una vez que se han formado los deuterones, estos tienen una tendencia muy fuerte para combinarse en núcleos de helio. El núcleo de helio (partículas alfa) está fuertemente enlazado, y el rápido proceso de combinar deuterones en núcleos de helio nos da la abundancia cósmica de hidrógeno y helio que tenemos hoy. Pero con los núcleos de helio entra en juego un nuevo factor -el equilibrio entre la fuerza electromagnética de repulsión y la atractiva fuerza nuclear fuerte. Este intenso conflicto entre las dos fuerzas más poderosas determina la estabilidad de todos los núcleos más masivos que el deuterio. En el caso del núcleo de helio, la fuerza fuerte es dominante y forma un núcleo muy estable.

Pero el siguiente paso trae una sorpresa. La adición de un neutrón para hacer helio-5 no produce un núcleo estable. La adición de un protón hace litio-5 que es igualmente inestable. La adición de un deuterón para hacer litio-6 podría funcionar, pero es menos estable que el núcleo de helio y su probabilidad es extremadamente baja. Así que el proceso de construcción de elementos pesados es ¡bloqueado de manera efectiva a unos tres minutos de la edad del universo!. Hasta que el universo se ha expandido y enfriado lo suficiente no se permite la formación de átomos. Esos átomos en concentraciones suficientes, colapsan para formar estrellas y encender el fuego de la fusión nuclear, iniciándose el proceso de construcción de elementos pesados.

Considérese la situación en que la fuerza nuclear fuerte es relativamente mas intensa que la fuerza electromagnética. Entonces, el agrupamiento en núcleos cada vez más masivos habría continuado y el universo se habría hecho de elementos pesados en lugar de hidrógeno y helio. Entonces no habría habido ninguna estrella, y "nosotros" tampoco.