Le niobium-94, un isotope du niobium constitué de 41 protons et de 53 neutrons, représente une bifurcation cruciale dans les processus nucléaires complexes par lesquels se forment les éléments lourds dans les conditions de pression et de température extrêmes qui règnent au cœur des étoiles en fin de vie. Dans un article publié dans Physical Review Letters, la collaboration n_TOF rapporte la toute première mesure de la probabilité de capture d’un neutron par le niobium-94, l’une des deux voies d’évolution possibles pour cet isotope. 

Ce résultat apporte un éclairage nouveau sur une question qui intrigue les chercheurs depuis longtemps concernant la composition des anciennes poussières d’étoiles. Ces poussières d’étoiles, connues sous le nom de « grains présolaires », ont survécu à la formation du Soleil sans être intégrées au système solaire. Certains d’entre eux sont aujourd’hui présents sur Terre, transportés jusqu’à nous par des météorites primitives. En analysant ces grains présolaires, les chercheurs peuvent avoir un aperçu de la composition isotropique de notre galaxie à l’époque où les éléments lourds étaient en cours de formation. Mais les chercheurs sont confrontés à une énigme : les grains présolaires contiennent davantage de molybdène-94 que ne le prédisent les modèles théoriques.

Pour tenter de résoudre cette énigme, les chercheurs se sont intéressés au niobium-94, un isotope très proche du molybdène-94, mais doté d’un proton de moins et d’un neutron de plus. Dans une étoile en fin de vie, où les conditions extrêmes favorisent la formation des éléments lourds, le niobium-94 se trouve à ce point de bifurcation. Il peut soit se désintégrer en molybdène-94 par désintégration bêta, soit capturer un neutron pour devenir du niobium-95. Déterminer comment ces deux processus se font concurrence dans cet environnement est essentiel pour mieux comprendre pourquoi les grains présolaires contiennent des abondances étonnamment élevées de molybdène-94.

« Le problème, c’est que personne n’avait jamais mesuré la probabilité de capture d’un neutron par le niobium-94, explique Alberto Mengoni, porte-parole de la collaboration n_TOF. Les scientifiques ne disposaient que d’estimations théoriques approximatives. »

Mesurer expérimentalement la capture d’un neutron par le niobium-94 pose de nombreux défis, notamment la production et la caractérisation d’échantillons de cet isotope, qui n’ont pu être réalisées que grâce aux efforts conjoints de plusieurs instituts. L’IFW Dresden a produit un échantillon stable et pur de niobium-93, dont une petite quantité a ensuite été transformée en niobium-94 à l’Institut Laue-Langevin. Cet isotope a alors été soigneusement caractérisé à l’Institut Paul Scherrer. À la station EAR2 de l’installation n_TOF du CERN, les chercheurs ont ensuite irradié l’échantillon à l’aide de l’une des sources de neutrons les plus intenses au monde afin de reproduire les processus stellaires susceptibles d’entraîner la capture d’un neutron par le niobium-94.

« Le flux instantané de neutrons de la station EAR2, qui est sans équivalent, a joué un rôle déterminant dans la détection du faible signal de capture de neutrons provenant de l’échantillon de niobium-94, explique Javier Balibrea-Correa, chercheur principal pour l’expérience sur le niobium-94. La valeur mesurée s’est révélée proche de certaines estimations théoriques antérieures, ce qui montre que l’écart observé de longue date entre les modèles et les données issues des poussières d’étoiles n’était pas dû à ces estimations, mais plutôt aux limites des anciens modèles stellaires. En effet, lorsque ce nouveau résultat est intégré aux modèles stellaires les plus avancés, ceux-ci présentent des incertitudes bien moindres et parviennent à reproduire les abondances de molybdène-94 observées dans les anciennes poussières d’étoiles, une étape importante dans la résolution de l’énigme du molybdène-94. »

Le puzzle est toutefois loin d’être complet. Les chercheurs ne disposent encore que d’estimations théoriques pour l’autre voie possible : la désintégration bêta du niobium-94. Les futures expériences viseront à mesurer précisément ce processus nucléaire afin de mieux comprendre l’origine du molybdène-94 et, ainsi, de dresser un tableau plus complet des mécanismes par lesquels les étoiles produisent les éléments lourds.