Reakcja fuzji ¹²C + ¹²C odgrywa fundamentalną rolę w końcowych etapach życia masywnych gwiazd. Choć teoretycznie dobrze znana, jej bezpośrednie wykrycie w warunkach odpowiadających wnętrzom gwiazd od lat uchodziło za jedno z największych wyzwań w eksperymentalnej astrofizyce jądrowej. Naukowcy musieli się jednak mierzyć z niezwykle niskim przekrojem czynnym (prawdopodobieństwem zajścia reakcji) w zakresie energii poniżej 3 MeV — tam, gdzie taka reakcja faktycznie zachodzi w naturze. Jądra węgla muszą pokonać silne odpychanie elektrostatyczne (tzw. barierę kulombowską) o wysokości 5,8 MeV, przez co prawdopodobieństwo fuzji przy niższych energiach spada niemal do zera.
Aby sprostać temu wyzwaniu, naukowcy z Chin postanowili wykorzystać akcelerator LEAF (Low Energy Accelerator Facility), zdolny do generowania silnych, precyzyjnych wiązek jonów węgla. Wiązkę skierowano na tarczę wykonaną z grafitu pirolitycznego o wysokim stopniu uporządkowania (HOPG) — wyjątkowo czystej i jednolitej formy węgla, która pozwala znacząco zredukować zakłócenia. Dzięki temu możliwe było wyodrębnienie pojedynczych rzeczywistych zdarzeń fuzji spośród miliardów innych sygnałów.
Czytaj także: Ciekłym metalem chłodzą reaktor fuzji termojądrowej. Rewolucja w energetyce nadchodzi wielkimi krokami
W momencie, gdy jony węgla trafiały w tarczę HOPG, niewielka liczba jąder łączyła się, emitując cząstki alfa. Ich detekcja wymagała wyjątkowo czułego i precyzyjnego układu pomiarowego. W tym celu wykorzystano komorę projekcji czasu (TPC), działającą jak trójwymiarowa kamera rejestrująca tor cząstek, oraz krzemowe detektory paskowe, pełniące rolę teleskopu i analizujące utratę energii w celu identyfikacji rodzaju cząstek. Ta kombinacja umożliwiła bezpośrednie wykrycie emisji cząstek alfa pochodzących z reakcji ¹²C + ¹²C przy energii 2,22 MeV — w obrębie tzw. okna Gamowa, czyli wąskiego zakresu energii, w którym reakcje jądrowe naturalnie zachodzą we wnętrzach gwiazd.
Czułość pomiaru okazała się absolutnie bezprecedensowa — średnio rejestrowano zaledwie jedno zdarzenie fuzji na każde 100 biliardów (10¹⁷) wystrzelonych jonów węgla. Oznacza to, że uzyskano najczulszy bezpośredni pomiar tej reakcji w historii, ustanawiając nowy punkt odniesienia w astrofizyce jądrowej. Zebrane dane pozwolą udoskonalić modele ewolucji gwiazd oraz syntezy pierwiastków cięższych od węgla.
Czytaj także: 100 razy większa moc fuzji jądrowej, a to dopiero początek zalet. Tak może wyglądać świat bez węgla
Warto tutaj dodać, że nie obyło się bez problemów. Długotrwałe bombardowanie wiązką jonów prowadziło do stopniowego uszkadzania tarczy HOPG. W efekcie naukowcy mieli do czynienia z pogorszeniem jej właściwości — liczba wykrytych cząstek alfa spadła o 51%, a protonów o 25%. Zmiany w strukturze powierzchni oraz zmniejszenie zawartości wodoru w materiale wpłynęły na precyzję i czas trwania pomiarów. Choć wpływ degradacji został uwzględniony w analizie końcowej, naukowcy mają świadomość, że konieczne jest opracowanie trwalszych konfiguracji eksperymentalnych dla przyszłych badań tego typu.
Mimo tych trudności, bezpośrednie wykrycie fuzji ¹²C + ¹²C w zakresie energii istotnym dla ewolucji gwiazd stanowi istotny przełom w badaniach nad wewnętrznymi mechanizmami napędzającymi olbrzymie gwiazdy. Eksperyment ten przybliża nas do pełniejszego zrozumienia, jak w sercach gwiazd rodzą się pierwiastki, z których ostatecznie powstają później planety i życie.