在一個擁擠的體育場中，想要聽到一個人聲音的難度可想而知。中國研究團隊成功探測到碳原子在低能量下的融合反應，這一成就顯示出在恆星內部發生的12C+12C融合反應的重要性。這一反應在恆星演化的後期階段發揮關鍵作用，並引發壯觀的宇宙事件，例如超新星爆炸和 X 射線爆發。
研究人員指出：「這些結果代表了在與恆星碳燃燒相關的Gamow窗口（核反應發生的能量範圍）內，最敏感的直接測量。」他們的研究成果為理解恆星的燃燒和死亡過程提供了新視角，並可能幫助科學家探討宇宙中重元素的起源。
長期以來，物理學家在測量12C+12C融合反應時面臨挑戰，因為這一反應發生在低於三百萬電子伏特（MeV）的能量範圍內。在這些低能量下，兩個碳核之間的排斥電力（稱為Coulomb屏障，位於5.8 MeV）使其融合的可能性極低。此外，融合截面（反應概率的度量）變得非常小，僅為幾兆分之一。這些因素使得直接實驗室檢測變得非常困難，科學家需要極強的碳離子束和超乾淨的目標，還需要足夠靈敏的檢測器來捕捉這些稀有的融合事件。
研究人員使用名為LEAF加速器的強大設備克服了這一障礙。該設施能夠生成高能量的離子束，在這一案例中為碳離子，並精確地將其指向目標。目標是迫使兩個強烈排斥的碳核（12C）進行融合。
為了提高檢測這一稀有融合的機率，團隊使用了一種名為高取向熱解石墨（HOPG）的特殊目標材料。這是一種非常純淨的晶體狀碳，通常用於高科技應用，如X射線儀器或中子散射，因為它產生的背景干擾極少。其清晰的結構使其成為檢測研究人員感興趣的反應的理想選擇，無需過多的噪音。
當碳束撞擊HOPG目標時，一些碳核成功克服排斥力並進行融合。這些融合事件釋放出阿爾法粒子，研究團隊使用時間投影室（TPC）和特殊排列的硅條檢測器進行檢測。
TPC像是一個三維追蹤相機，捕捉反應中產生的粒子路徑，而硅檢測器則根據粒子在通過過程中損失的能量來識別每種粒子的類型。整個設置使團隊能夠直接測量在2.22 MeV能量下產生的阿爾法粒子的數量，這一能量水平恰好位於所謂的Gamow窗口內。
這一融合反應的檢測結果非常引人注目，因為每100萬億個發射的碳離子中僅有一個發生融合，這使其成為迄今為止對該反應的最敏感直接測量。研究人員表示：「這一結果代表了迄今為止對12C(12C,α0)20Ne通道的最高靈敏度。」
這一精確度意義重大。理解碳原子何時以及如何融合對於解釋恆星在氦耗盡後的演變過程，以及觸發超新星等大規模宇宙事件至關重要。這些數據也有助於完善宇宙中元素形成的模型。
然而，實驗並非沒有挫折。在持續轟擊下，碳束損壞了HOPG目標，導致檢測到的阿爾法粒子數量減少約51％，質子數量減少約25％。這種輻射損傷改變了目標的表面並減少了氫含量，限制了長期實驗的持續時間和準確性。儘管團隊在最終結果中對此損傷進行了修正，但這個問題突顯出該設置需要進一步改進，以支持需要長時間進行的測量。該研究發表在《核科學與技術》期刊上。
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