04 décembre 2016
Le problème du lithium cosmologique étudié à n_TOF

La nouvelle zone expérimentale EAR2 de n-TOF au CERN vue de l'extérieur

La collaboration n_TOF, dont l'Irfu et l’IPN Orsay comptent parmi les membres fondateurs les plus actifs, étudie au Cern depuis une quinzaine d'années les réactions entre neutrons et noyaux atomiques, aidant à comprendre comment la matière est structurée et s’organise à l’échelle nucléaire. Au-delà de l'intérêt intrinsèque de l’étude de la matière nucléaire, les réactions induites par neutrons jouent un rôle clé dans le domaine de la technologie nucléaire et dans l'étude de la nucléosynthèse primordiale et stellaire en astrophysique. En particulier, le problème du lithium cosmologique a été étudié récemment dans la toute nouvelle zone d'expérimentation EAR2 avec une mesure de la réaction 7Be(n,α)4He. Les résultats, qui viennent d'être publiés dans la prestigieuse revue à fort impact Physical Review Letters [1], permettent d’affiner notre compréhension de la nucléosynthèse primordiale et excluent un rôle important de cette réaction dans le problème du lithium cosmologique.

 

 

La théorie de la nucléosynthèse du Big Bang, qui décrit la production des noyaux les plus légers, hydrogène, hélium et lithium, pendant les phases primordiales de l’univers, prédit les abondances de ces noyaux. Pour l'hydrogène et l'hélium ces prédictions sont en parfait accord avec les observations dans certaines étoiles reflétant la composition chimique primordiale. Par contre pour le lithium l'observation est environ trois fois plus faible, ce qui est appelé le problème du lithium cosmologique. Dans le modèle de nucléosynthèse, l'abondance de 7Li dépend pour l'essentiel de la présence de 7Be, qui, par capture d'électron, devient 7Li. Afin d'expliquer cet écart, une des pistes à explorer est le détail de l'enchaînement des réactions nucléaires et leurs sections efficaces nécessaire pour modéliser l'abondance de 7Li. En effet, les taux de réactions menant à la production et notamment à la destruction de 7Be pourraient ne pas être assez bien reproduits. Outre la décroissance de 7Be en 7Li, la réaction 7Be(n,α)4He a été avancée comme possible candidat pour une réduction supplémentaire de la quantité de 7Be alimentant la production de 7Li. Si cette réaction s'avère plus probable que prévu, la quantité de lithium prédite diminuera. Jusqu’à présent notre connaissance de cette réaction se limitait à un unique point expérimental à basse énergie comme le montre la Figure 1.

Figure 1 : Comparaison entre les données mesurées (symboles) et les données évaluées ou calculées (courbes continues). Figure de la reference [1]. La section totale 7Be(n,α)4He (courbe verte) est déduite de la mesure de la section partielle (n,γα) réalisée à n_TOF (carrés violets) et d’une mesure indirecte à plus haute énergie (triangles bleus). La zone grise indique la zone d'énergie d'intérêt pour la nucléosynthèse du Big Bang.

 

 

Figure 2 : L'aire expérimentale EAR2 de la ligne verticale de faisceau de neutrons à n_TOF au Cern avec l'ensemble détecteurs et échantillon 7Be à l'intérieur d'un blindage en plomb.

 

Afin de connaitre la section efficace en fonction de l'énergie du neutron, une expérience a été menée dans la nouvelle zone d'expérimentation EAR2 du dispositif n_TOF au Cern [2]. L'échantillon de 7Be a été produit au Paul Scherrer Institut (PSI) en Suisse. Une méthode récemment développée a été employée en plaçant dans le circuit de refroidissement de l'eau lourde du dispositif SINQ (Spallation Induced Neutron Source) un filtre à échange d'ions pour collecter les résidus. Le 7Be, produit par spallation de 16O, se trouvant parmi d'autres ions, a été ensuite séparé par chromatographie et extrait pour fabriquer deux cibles de 1.4 microgrammes ayant une activité d'environ 18 GBq chacune.

Chaque cible a ensuite été installée entre deux détecteurs silicium dans le faisceau de neutrons à EAR2 de n_TOF au Cern (Figure 2). Si le flux de neutrons est déjà très élevé dans l'aire expérimentale d'origine (EAR1), la récente construction d'une ligne de faisceau supplémentaire, verticale et plus proche de la cible de production des neutrons, résulte en un flux de neutrons encore plus élevé, rendant possible la mesure d’événements rares sur des noyaux très radioactifs, comme dans le cas de 7Be. Préalablement, un détecteur de silicium a été monté dans la ligne de faisceau de neutrons pendant plusieurs semaines pour tester sa bonne tenue sous irradiation par des neutrons. Les signaux dans les détecteurs de silicium ont ensuite été mesurés en fonction de l'énergie des neutrons, déduite par temps de vol. La détection en coïncidence des deux particules alpha émises lors de la désintégration de 8Be a permis de déterminer le taux de réaction et après normalisation la section efficace de la réaction partielle 7Be(n,γα)4He et celle de la réaction totale 7Be(n,α)4He (Figure 1).

Les résultats de cette mesure complétés par des modélisations du processus de réaction offrent une réponse définitive à la question du possible rôle de la réaction 7Be(n,α) et ont mené à la conclusion que cette réaction ne peut pas expliquer l'écart entre observations astronomiques et théorie. La solution au problème du lithium cosmologique n'est toujours pas trouvée mais doit maintenant être cherché dans un autre scénario.

 

Réferences

[1] M. Barbagallo et al., Phys. Rev. Lett. 117 (2016) 152701 

[2] "n_TOF ouvre une nouvelle aire au Cern", ScintillationS n°95,
        septembre 2016.

Contact: Frank Gunsing, Eric Berthoumieux, Emmeric Dupont

 

Maj : 24/10/2017 (3852)

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