Une expérience AGATA au LNL fournit des résultats clés pour l’astrophysique nucléaire
Des résultats d’une expérience AGATA aux Laboratori Nazionali di Legnaro apportent un éclairage nouveau sur le phénomène de suppression de la fusion nucléaire à très basse énergie. Cet effet, bien connu pour les noyaux lourds, est encore débattu pour les systèmes de noyaux légers présentant un fort intérêt pour l’astrophysique. Ces résultats scientifiques viennent d’être publiés dans la revue Physics Letters B.
Comprendre comment deux noyaux atomiques fusionnent lorsque leur énergie devient extrêmement faible est un défi majeur de la physique nucléaire. À ces énergies, la probabilité de fusion diminue fortement, parfois bien plus que ce que prévoient certains modèles théoriques. Ce phénomène, appelé suppression de la fusion (fusion hindrance), est bien établi pour les noyaux lourds, mais reste débattu pour les systèmes plus légers, qui jouent pourtant un rôle clé en astrophysique.
L’expérience, réalisée à l’automne 2023 aux Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL), à Padoue, en Italie, a étudié la fusion entre des noyaux de carbone-12 et de silicium-28 à des énergies si faibles qu’elles ne permettent pas, selon la physique classique, de surmonter la répulsion électrostatique entre les noyaux. Dans ce régime, les réactions de fusion ne sont possibles que grâce à l’effet tunnel quantique, qui autorise une probabilité non nulle de traverser la barrière coulombienne et d’initier la fusion. Le système choisi permet de se rapprocher des cas de fusion avec des noyaux légers (C+C, C+O, O+O) qui ont un très fort intérêt astrophysique. Ces travaux ont été réalisés par une collaboration internationale associant, entre autres, des scientifiques de l’université de Padoue, de l’INFN-LNL, et des chercheuses et chercheurs de l’IPHC, de GANIL et de l’IP2I, en s’appuyant sur un dispositif expérimental incluant le spectromètre gamma AGATA couplé à des détecteurs silicium segmentés.
Grâce à la détection de rayons gamma et de particules chargées en coïncidence, les chercheurs ont pu mesurer des probabilités de fusion du système ¹²C + ²⁸Si extrêmement faibles, jusqu’à quelques dizaines de nanobarns, tout en réduisant fortement le bruit de fond. Ces données très précises permettent de tester les modèles théoriques de réactions nucléaires à canaux couplés qui sont couramment employés, dans un domaine d’énergie encore peu exploré.
Les résultats montrent clairement qu’à très basse énergie, ces modèles théoriques surestiment la probabilité de fusion. Une diminution de cette probabilité est mesurée. Ceci est compatible avec la disparition des effets de couplage entre les noyaux au moment de la fusion. Ce comportement avait déjà été mis en évidence dans plusieurs cas dans une collaboration entre l’équipe STELLA de l’IPHC et le LNL.
Ces travaux apportent ainsi des données expérimentales essentielles pour affiner les modèles de fusion nucléaire à très basse énergie. Ils contribuent à mieux comprendre des réactions impliquant des noyaux légers qui se produisent dans des environnements astrophysiques où les températures sont élevées mais les énergies de collision très faibles.