Le béryllium 8, noté Be, est l'isotope du béryllium dont le nombre de masse est égal à 8 : son noyau atomique compte et avec un spin 0+ pour une masse atomique de . Il est caractérisé par un excès de masse de et une énergie de liaison nucléaire par nucléon de . Il s'agit d'un , dont le noyau est très instable et se désintègre par radioactivité α en émettant deux particules α, c'est-à-dire deux noyaux , avec une période radioactive de l'ordre de .
Le béryllium 8 est un nucléide important en astrophysique du point de vue de la nucléosynthèse stellaire car, en dépit de sa grande instabilité, c'est un intermédiaire clé de la réaction triple alpha ouvrant la voie à la nucléosynthèse d'éléments plus lourds à l'issue de la chaîne proton-proton. Ses propriétés particulères ont donné lieu à des hypothèses sur l'ajustement fin de l'Univers ainsi qu'à des hypothèses sur l'évolution cosmologique d'un Univers où le aurait été stable.
Propriétés
Le béryllium 8 se désintègre par émission α avec une énergie d'environ et une résonance large d'à peine . Le noyau d' est particulièrement stable, ayant un nombre magique à la fois de protons et de neutrons et une énergie de liaison par nucléon de /nucléon, plus élevée que celle du . Dans la mesure où son énergie totale est supérieure à celle de deux noyaux d', sa désintégration en deux particules α est énergétiquement favorable, et la nucléosynthèse de à partir de est endothermique M. Freer, « Clustering in Light Nuclei; from the Stable to the Exotic », C. Scheidenberger et M. Pfützner, The Euroschool on Exotic Beams: Lecture Notes in Physics, , Springer, 2014, , . .
La désintégration du est facilitée par la structure de son noyau. Celui-ci est très déformé, et l'on pense qu'il relève davantage d'un assemblage de type « moléculaire » composé de deux particules α très faciles à séparer. Alors que bien d'autres nucléides α peuvent présenter des isomères « moléculaires » hautement instables qui ne peuvent exister que pendant des durées infinitésimales, il se trouve que est précisément dans son état fondamental sous cette forme de noyau composé de deux et peut subsister ainsi pendant un temps certes très bref — — mais néanmoins suffisamment long pour permettre des interactions avec d'autres particules, condition nécessaire à l'existence même de la réaction triple alpha permettant la nucléosynthèse du .
Le béryllium 8 présente par ailleurs plusieurs isomères nucléaires. Ce sont des états de résonance à l'existence très brève, dont l'amplitude peut atteindre plusieurs mégaélectron-volts et caractérisés par des isospins variables, qui retournent rapidement à l'état fondamental ou se désintègrent en deux particules α.
Rôle dans la nucléosynthèse stellaire
La très brève demi-vie du constitue un goulot d'étranglement à la fois lors de la nucléosynthèse primordiale et au cours de la nucléosynthèse stellaire, car elle nécessite une vitesse de réaction très élevée pour permettre la formation de . En l'occurrence, la fusion d'une particule α avec un noyau de avant qu'il se désintègre peut donner du selon une réaction théorisée dès le début des années 1950.
La réaction triple alpha de production du est favorisée lorsque la concentration de représente environ celle de , ce qui survient lorsqu'il se forme plus vite qu'il se désintègre. Ceci n'est cependant pas suffisant, car la collision d'une particule α avec un noyau de a une probabilité plus élevée de briser ce dernier en deux particules α par fission que de former un noyau de par fusion, de sorte que la vitesse de réaction resterait insuffisante pour expliquer le taux de observé dans l'Univers. La solution est venue en 1954 de la conjecture par Fred Hoyle de l'existence d'un isomère particulier du dont l'énergie correspondrait à celui de la réaction triple alpha, ce qui favoriserait la formation de malgré l'instabilité du . L'existence de cette résonance particulière, dite état de Hoyle, a été confirmée expérimentalement peu après ; sa découverte a contribué à la formulation du principe anthropique et de l'hypothèse de l'ajustement fin de l'Univers.
Désintégration inattendue et spéculation sur une fondamentale
Une expérience réalisée en 2015 à l'Institut de recherche nucléaire de l'Académie hongroise des sciences à Budapest () a observé une anomalie dans la désintégration des états excités du à obtenus par irradiation de par des protons. Cette anomalie se manifeste sous la forme d'un pic de désintégrations créant des paires électron-positron à un angle de 140° avec une énergie combinée d'environ . Cette observation d'écart type a été expliquée par l'existence d'un hypothétique boson de jauge protophobique « X » appelé particule X17 en référence au niveau d'énergie concerné. Ce boson serait responsable d'une agissant à courte distance () et pouvant expliquer la désintégration de ces états excités du .. L'expérience a été renouvelée en 2018 et observa la même anomalie, et a permis d'estimer la masse de l'hypothétique boson X17 à . Alors que d'autres observations de cette nouvelle particule sont en prépublication, la communauté scientifique demeure prudente..
Univers hypothétiques à béryllium 8 stable
Dans la mesure où le béryllium 8 se dissocie avec une énergie d'à peine , des théoriciens ont spéculé sur l'ajustement de certaines constantes physiques telles que la constante de structure fine susceptible de stabiliser l'énergie de liaison du et de prévenir sa . Ceci a conduit à des spéculations sur des scénarios hypothétiques dans lesquels est stable dans des univers dont les constantes fondamentales sont différentes.
Ces études ont suggéré que la disparition du goulot d'étranglement au niveau du résulterait en un mécanisme de réaction très différent au cours de la nucléosynthèse primordiale et de la réaction triple alpha ainsi qu'en une abondance relative différente des éléments plus lourds. Dans la mesure où la nucléosynthèse primordiale s'est déroulée pendant une brève période de temps au cours de laquelle les conditions nécessaires étaient réunies, il est probable qu'il n'y aurait pas eu de différence significative dans la production de même si le avait été stable. Cependant, du stable permettrait des réactions alternatives à la fusion de l'hélium telles que et donnant lieu à une phase de « fusion du béryllium » qui résulterait en des abondances relatives différentes de , de et d'autres isotopes plus lourds, les isotopes et demeurant les plus abondants dans ce cas-là également. Ceci aurait également un impact sur l'évolution stellaire en déclenchant plus rapidement la fusion de l'hélium, qui s'en trouverait accélérée, d'où une séquence principale différente.
Notes et références
Catégorie:Radioisotope Catégorie:Béryllium Catégorie:Nucléosynthèse Catégorie:Nucléide α