碳是生命的基石，人們認為它主要是在恆星的核心內部形成的。但一項新的實驗正在測試另一種觀點：其中一些可能是在超新星爆發或中子星碰撞過程中形成的。要形成碳-12的原子核（元素最常見的形式，有六個質子和六個中子），必須發生一個罕見的過程：三個氦-4原子核（也稱為α粒子，每個包含兩個質子和兩個中子）需要聚集在一起，達到獨特的激發態並結合形成碳。科學家估計，穩定的碳原子只有在三個氦-4同位素結合時，每10000次中約有4次才能產生。傳統上，這種碳形成的“三α過程”被認為發生在恆星核心內部，但俄亥俄大學的一項新的粒子加速器實驗旨在測試另一種情況，即在恆星爆炸和碰撞時存在的額外中子的幫助下，該元素可以更有效地產生。
我們目前對三α過程的理解主要來自天文學家弗雷德·霍伊爾，他於 1954 年著名地預測，碳-12的特殊激發態必須在合成過程中出現。後來的科學家觀察到了這種所謂的霍伊爾態，並證實碳隨後會發射伽馬射線，使其去激發到基態或穩定態。
科學家們長期以來懷疑其他粒子可能在去激發過程中發揮作用，特別是中子，中子不帶電荷，可以穿透原子核並帶走額外的能量。然而，測量中子能量一直很困難。幾年前，聖路易斯華盛頓大學的物理學家李·索博特卡決定，是時候開發一個實驗來檢驗這個想法了。他閱讀了《物理評論快報》上的一篇論文，該論文預測中子可以將三α過程的效率提高100倍以上。他認為，一種名為時間投影室（TPC）的技術，對核物理學來說相對較新，可能是完成這項工作的正確工具。
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完全實現的實驗於3月10日在俄亥俄大學的愛德華茲加速器實驗室開始。它採用了一種名為得克薩斯活動靶，或TexAT的TPC型探測器，該探測器由索博特卡在德克薩斯A&M大學的合作者開發。該探測器看起來像一個帶有前窗的微波爐，安裝在最初設計用於中子測量的30米長、2米寬的地下隧道的近端。一個50年前的、校車大小的現場粒子加速器產生一束中子，然後將其射入探測器，在那裡它們轟擊二氧化碳氣體樣本。“我們在這裡所做的是測量原始三α過程的逆反應的截面或機率，”索博特卡說。由於霍伊爾態只能存在於一瞬間，因此幾乎不可能直接測量它。在逆反應中，中子會撞擊碳原子核，將其激發到霍伊爾態，產生α粒子，然後以較低的能量離開現場。“透過執行逆向測量來測量中子碰撞使霍伊爾態去激發的機率是一種聰明的方法，”英國伯明翰大學的馬丁·弗里爾說，他沒有參與該實驗。
正在進行的得克薩斯活動靶 (TexAT) 實驗中觀察到的三α事件的圖示。左側顯示了實驗情況，一個快中子和一個碳-12原子結合在一起，產生三個α粒子和一個慢中子。右側是一個時間反轉鏡，顯示了太空中實際發生的情況：三個α粒子和一個慢中子合併形成碳-12和一個快中子。圖片來源：傑克·畢曉普得克薩斯A&M大學
德克薩斯A&M大學的格里戈裡·羅加切夫是TexAT團隊的負責人，他說測量逆反應是合理的，因為該反應的機率與原始反應的機率之間存在統計關係。他說，TexAT花了科學家六年時間開發，它可以拍攝探測器內部帶電粒子的照片。在本實驗中，當α粒子被擊出並向不同方向散射時，它們會使氣體電離，並在沿途釋放電子。這些電子又會屈服於探測器中的電場，向上漂移到頂部檢測面板，在那裡它們的空間位置會立即被標記下來。將此資訊與它們的到達時間相結合，科學家們可以輕鬆地以視覺化方式重建α粒子的 3D 軌跡。
丹麥奧胡斯大學的漢斯·芬博沒有參與這項研究，他說在與此測量相關的低能量下，識別霍伊爾態的所謂α衰變是一件困難的事情。他說，TexAT的新穎之處在於它“既是探測器又是目標”，這在實驗核物理學中是一個相對較新的概念。
在實驗的第一天，每秒鐘大約有 5,000 箇中子被送入探測器。其中只有大約百萬分之一觸發了逆三α過程。它們中的大多數只是穿過探測器到達隧道的深處，並進入容納加速器實驗室的山坡。
據弗里爾和芬博說，研究人員大約每五分鐘收集到一個事件，這相當成功。該實驗計劃執行兩週，但該團隊在校園因冠狀病毒撤離後，不得不第一週就放棄了隧道中的探測器。研究人員計劃儘快返回以收集資料並分析結果。芬博說，如果結果證明預測的增強係數為100，“那將是非常重要的”。
索博卡說，一旦資料可用，下一步將是邀請天體物理學家加入對話，並解釋這種中子誘導碳形成所需的宇宙環境。這種情況可能與恆星中安靜的燃燒過程完全不同。弗里爾說，它可能是“超新星或中子星合併”，其中不僅粒子密度更高，而且可能存在更多的中子。然而，在這種災難性過程中產生的碳可能不一定會顯著增加宇宙中碳的總量，因為它們充當“在這些爆炸中產生的更重元素合成的種子”，他指出。換句話說，這些碳原子可能會被吸收以創造元素週期表中的其他成員。