Première mesure de la réaction de capture neutronique du niobium-94 au CERN, apportant un nouvel éclairage sur le mystère de l'abondance du molybdène dans les poussières stellaires anciennes

La collaboration n_TOF du CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire) a récemment rapporté que les chercheurs ont mesuré pour la première fois la probabilité de la réaction de capture neutronique du niobium-94. Ces résultats, publiés dans *Physical Review Letters*, fournissent une nouvelle base expérimentale pour expliquer l'abondance anormale du molybdène-94 dans les grains présolaires.

Le dispositif EAR2 de l'expérience n_TOF du CERN produit un grand nombre de neutrons, ouvrant de nouvelles possibilités pour la recherche nucléaire. Crédit image : CERN.

Le niobium-94 est un isotope du niobium contenant 41 protons et 53 neutrons, occupant une position clé dans les réactions nucléaires de formation des éléments lourds au sein des étoiles mourantes. Les chercheurs s'y intéressent car le niobium-94 est très proche du molybdène-94, ne possédant qu'un proton de moins et un neutron de plus. Dans les conditions de température et de pression extrêmes à l'intérieur des étoiles, le niobium-94 peut se transformer en molybdène-94 par désintégration β, ou former du niobium-95 par capture neutronique. La compétition entre ces deux voies de réaction influence directement la compréhension par les scientifiques de l'origine du molybdène-94.

Depuis longtemps, les scientifiques observent que la teneur en molybdène-94 dans les grains présolaires est supérieure aux prédictions des modèles théoriques. Les grains présolaires sont d'anciennes poussières stellaires ayant survécu à la formation du Soleil, dont une partie est parvenue sur Terre via des météorites primitives. En étudiant ces grains, les chercheurs peuvent retracer les informations sur la composition nucléaire lors de la formation des éléments lourds au début de l'histoire de la Voie lactée. Cependant, la probabilité de capture neutronique du niobium-94 n'avait jamais été mesurée directement auparavant, et les modèles correspondants ne pouvaient s'appuyer que sur des estimations théoriques.

Pour mener à bien cette expérience, plusieurs instituts de recherche ont participé à la préparation et à la caractérisation des échantillons d'isotopes rares. L'Institut de recherche nucléaire de Dresde a préparé un échantillon stable et pur de niobium-93, l'Institut Laue-Langevin en a converti une petite quantité en niobium-94, puis l'Institut Paul Scherrer a procédé à une caractérisation minutieuse de l'échantillon. L'équipe de recherche a ensuite irradié l'échantillon à la station expérimentale EAR2 de l'installation n_TOF du CERN, en utilisant une source de neutrons à haute intensité pour simuler le processus de capture neutronique du niobium-94 dans l'environnement stellaire.

Le responsable de l'expérience a indiqué que le flux neutronique instantané élevé de la station EAR2 était essentiel pour capturer le faible signal de capture neutronique de l'échantillon de niobium-94. Les résultats de mesure montrent que les valeurs expérimentales sont relativement proches de certaines estimations théoriques antérieures, ce qui implique que l'écart de longue date entre les modèles et les observations de poussières stellaires ne provient pas principalement de l'estimation de la probabilité de capture neutronique du niobium-94, mais est plus probablement lié aux limites des modèles stellaires précoces.

Les chercheurs soulignent que lorsque les nouveaux résultats expérimentaux sont intégrés dans des modèles stellaires plus avancés, les incertitudes des modèles sont considérablement réduites, permettant de reproduire l'abondance du molybdène-94 observée dans les poussières stellaires anciennes. Cette avancée est considérée comme une étape importante dans la compréhension de l'origine nucléosynthétique du molybdène-94.

Cependant, le problème n'est pas entièrement résolu. L'autre branche clé de la voie d'évolution du niobium-94 — la désintégration β — repose encore principalement sur des estimations théoriques. L'équipe de recherche indique qu'à l'avenir, des mesures expérimentales plus précises de ce processus nucléaire seront nécessaires pour clarifier davantage l'origine du molybdène-94 et approfondir la compréhension des mécanismes de formation des éléments lourds dans les étoiles.