Fuziunea rară a carbonului, detectată de cercetători chinezi: un pas important în înțelegerea vieții stelelor

O echipă de cercetători din China a reușit să detecteze o reacție nucleară extrem de rară: fuziunea a doi atomi de carbon, la energii joase, similare celor din interiorul stelelor. Reacția, cunoscută sub denumirea de fuziune 12C + 12C, are un rol esențial în ultimele etape ale evoluției stelare, fiind implicată în declanșarea unor fenomene cosmice spectaculoase, cum ar fi supernovele și exploziile X.

Rezultatele obținute reprezintă cea mai sensibilă măsurătoare directă efectuată vreodată în fereastra Gamow – intervalul de energie în care reacțiile nucleare se desfășoară în mod natural în stele. Cercetătorii consideră că acest progres deschide o cale nouă spre înțelegerea modului în care stelele ard și își sfârșesc viața, oferind totodată indicii importante despre originea elementelor grele din univers.

De-a lungul decadelor, fizicienii au încercat să măsoare această reacție la energii joase, mai mici de 3 MeV, specifice mediului stelar. La aceste valori, forța de respingere electrică dintre nucleele de carbon – cunoscută sub numele de barieră Coulomb – face fuziunea extrem de improbabilă. Mai mult, probabilitatea ca această reacție să aibă loc (secțiunea eficace) este extrem de mică, de ordinul unei trilioane dintr-o trilionime, ceea ce a făcut detectarea directă în laborator aproape imposibilă.

Pentru a depăși aceste dificultăți, cercetătorii au folosit acceleratorul LEAF, care poate genera fascicule intense de ioni de carbon și le poate direcționa cu mare precizie asupra unei ținte. Aceasta a fost realizată din grafit pirolitic orientat (HOPG), un material de carbon pur și cristalin, ales pentru capacitatea sa de a reduce semnificativ interferențele de fond. Datorită structurii sale curate, HOPG a permis izolarea reacțiilor dorite de zgomotul de fond.

Când fasciculul de carbon a lovit ținta, un număr mic de nuclei au reușit să fuzioneze, eliberând particule alfa. Acestea au fost detectate cu ajutorul unei camere de proiecție temporală (TPC) și al unor detectoare de siliciu, aranjate într-un sistem asemănător unui telescop. Camera TPC a înregistrat traiectoriile în trei dimensiuni ale particulelor, în timp ce detectoarele de siliciu au identificat tipul acestora în funcție de energia pierdută.

Măsurătoarea a fost realizată la energia de 2,22 MeV, adânc în interiorul ferestrei Gamow, și s-a dovedit a fi extrem de sensibilă: fuziunea s-a produs o dată la fiecare 100 de cvadrilioane de ioni de carbon trimiși. Este cea mai precisă detectare directă a acestei reacții făcută vreodată.

Această reușită are o importanță majoră pentru înțelegerea proceselor care au loc în stele după epuizarea heliului, precum și pentru înțelegerea mecanismului prin care se formează elementele grele în univers. Informațiile obținute pot îmbunătăți semnificativ modelele astrofizice existente.

Cu toate acestea, experimentul nu a fost lipsit de provocări. Bombardarea constantă a deteriorat ținta HOPG, reducând eficiența detectării particulelor: numărul de particule alfa a scăzut cu 51%, iar cel al protonilor cu 25%. Aceste efecte, cauzate de modificările fizico-chimice ale materialului sub acțiunea radiației, au limitat durata și precizia testelor pe termen lung.

Totuși, succesul echipei chineze marchează un pas important în explorarea proceselor care guvernează nașterea, viața și moartea stelelor.