Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

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,?)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.

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,??)⁴He et celle de la réaction totale ⁷Be(n,?)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,?) 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.