Béryllium 8

Le béryllium 8 se désintègre par émission α avec une énergie d'environ 92 keV et une résonance large d'à peine 6 eV[3]. Le noyau d'hélium 4 est particulièrement stable, ayant un nombre magique à la fois de protons et de neutrons et une énergie de liaison par nucléon de 7 074 keV/nucléon[1], plus élevée que celle du ⁸Be. Dans la mesure où son énergie totale est supérieure à celle de deux noyaux d'hélium 4, sa désintégration en deux particules α est énergétiquement favorable[4], et la nucléosynthèse de ⁸Be à partir de ⁴He est endothermique[5] - [6].

La désintégration du ⁸Be 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 ⁸Be est précisément dans son état fondamental sous cette forme de noyau composé de deux particules α et peut subsister ainsi pendant un temps certes très bref — 8,19 × 10⁻¹⁷ s[7] — 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 carbone 12.

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[8].

La très brève demi-vie du béryllium 8 constitue un goulot d'étranglement à la fois lors de la nucléosynthèse primordiale et au cours de la nucléosynthèse stellaire[9] car elle nécessite une vitesse de réaction très élevée pour permettre la formation de carbone 12[10]. En l'occurrence, la fusion d'une particule α avec un noyau de béryllium 8 avant qu'il se désintègre peut donner du carbone 12 selon une réaction théorisée dès le début des années 1950[11] - [12].

La réaction triple alpha de production du ¹²C est favorisée lorsque la concentration de ⁸Be représente environ 10⁻⁸ fois celle de ⁴He, ce qui survient lorsqu'il se forme plus vite qu'il se désintègre[13]. Ceci n'est cependant pas suffisant, car la collision d'une particule α avec un noyau de ⁸Be a une probabilité plus élevée de briser ce dernier en deux particules α par fission que de former un noyau de ¹²C par fusion, de sorte que la vitesse de réaction resterait insuffisante pour expliquer le taux de ¹²C observé dans l'univers[14]. La solution est venue en 1954 de la conjecture par Fred Hoyle de l'existence d'un isomère particulier du carbone 12 dont l'énergie correspondrait à celui de la réaction triple alpha, ce qui favoriserait la formation de ¹²C malgré l'instabilité du ⁸Be[15]. 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[16].

Une expérience réalisée en 2015 à l'Institut de recherche nucléaire de l'Académie hongroise des sciences à Budapest (Atomki (en)) a observé une anomalie dans la désintégration des états excités du béryllium 8 à 17,64 et 18,15 MeV obtenus par irration de ⁷Li 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 17 MeV[17]. Cette observation d'écart type 6,8 σ a été expliquée par l'existence d'un hypothétique boson de jauge protophobique « X » appelé particule X17 en référence au niveau d'énergie concerné[8]. Ce boson serait responsable d'une 5^e force (en) agissant à courte distance (12 fm) et pouvant expliquer la désintégration de ces états excités du ⁸Be[18]. 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 17,01 ± 0,16 MeV/c²[19]. Alors que d'autres observations de cette nouvelle particule sont en prépublication[20], la communauté scientifique demeure prudente[21].

Dans la mesure où le béryllium 8 se dissocie avec une énergie d'à peine 92 keV, des théoriciens ont spéculé sur l'ajustement de certaines constantes physiques telles que la constante de structure fine α susceptible de stabiliser l'énergie de liaison du ⁸Be et de prévenir sa désintégration α. Ceci a conduit à des spéculations sur des scénarios hypothétiques dans lesquels ⁸Be est stable dans des univers dont les constantes fondamentales sont différentes[14].

Ces études ont suggéré que la disparition du goulot d'étranglement[16] au niveau du ⁸Be 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[3]. 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 ¹²C même si le ⁸Be avait été stable[9]. Cependant, du ⁸Be stable permettrait des réactions alternatives à la fusion de l'hélium telles que ⁸Be + ⁴He et ⁸Be + ⁸Be donnant lieu à une phase de « fusion du béryllium » qui résulterait en des abondances relatives différentes de ¹²C, de ¹⁶O et d'autres isotopes plus lourds, les isotopes ¹H et ⁴He 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[14].