Il processo tre alfa: tre nuclei di elio si uniscono per formare carbonio. Quasi tutto il carbonio dell'Universo, compreso quello degli esseri viventi, è stato prodotto così all'interno delle stelle.
Due nuclei di elio non riescono a restare uniti a lungo. Formano il berillio-8, che si spezza di nuovo in una minuscola frazione di secondo. Nel nucleo caldo e denso di una stella che brucia elio, a volte un terzo nucleo di elio arriva prima che ciò accada. Si forma allora carbonio, ma solo perché il carbonio-12 ha uno stato eccitato, lo stato di Hoyle, proprio all'energia giusta per catturare le tre particelle. Nel 1954 Fred Hoyle sostenne che un tale stato doveva esistere perché le stelle producessero tanto carbonio quanto ne vediamo, e gli esperimenti lo trovarono presto. Il tasso di questo processo fissa quanto velocemente brucia l'elio e, insieme al passo successivo, la cattura di un nucleo di elio da parte del carbonio-12, decide quanto carbonio e quanto ossigeno lascia una stella.
Dati essenziali
- Quanto è noto
- Il tasso dipende da quanto spesso lo stato di Hoyle del carbonio-12 si stabilizza in carbonio invece di spezzarsi di nuovo in tre nuclei di elio. Questa probabilità è minuscola; una misura del 2020 la dava più alta di circa il 30%, ma le misure del 2024–2025 e una nuova analisi dei dati del 2020 concordano sul valore precedente, circa 4,1 su 10 000.
- Valutazione interattiva
- Valutazione 4He(α,α)4He (8Be) →
- Valore Q · energia liberata
- 7,275 MeV
- Energie
- Tre nuclei di elio non si incontrano mai contemporaneamente. Due di essi formano l'8Be, che vive circa 10−16 s; un terzo viene catturato prima che si spezzi, attraverso lo stato di Hoyle del 12C a 7,65 MeV. Il tasso di reazione è fissato dalle energie e dalle larghezze di queste due risonanze, non da una finestra di Gamow.
- Tipo
- Fusione
Nella cronologia
Come è stata misurata
Le parti tecniche di questa pagina (l'elenco delle misure, i dettagli) sono in inglese.
9 misure, 1953–2025Mostra l'elencoNascondi l'elenco
1953
Kellogg Radiation Laboratory, CaltechCalifornia Institute of Technology
Misura diretta in superficie · eccitazione del 12C a 4,4–9,2 MeV tramite 14N(d,α)12C
Magnetic analysis of the α spectrum from 14N(d,α)12C found a level at 7.68 ± 0.03 MeV, the state Hoyle had predicted; the paper credits Hoyle with its astrophysical significance. [1]
1957
Kellogg Radiation Laboratory, CaltechCalifornia Institute of Technology
Misura diretta in superficie · decadimento β del 12B
α particles following the β decay of 12B showed that the 7.65 MeV state breaks up into 8Be + α, so it can be formed from three α particles in a star; this fixed its energy and spin-parity. [2]
2005
ISOLDE, CERN, Geneva, and IGISOL, Jyväskylä
Misura diretta in superficie · continuo del 12C popolato nel decadimento β del 12B e del 12N
12B was produced at ISOLDE and 12N at IGISOL. Breakup spectra of the 12C states fed in their β decay showed a dominant resonance near 11 MeV and no evidence for a previously reported state at 9.1 MeV; the revised rate is higher below 5×107 K and much lower above 109 K. [3]
2020
Heavy Ion Accelerator Facility, ANUAustralian National University
Misura diretta in superficie · decadimento E0 in coppie dello stato a 7,65 MeV, 12C(p,p′) a 10,5 MeV
e+e− pairs detected with the Super-e spectrometer. New pair-decay branching ratio, 14% larger than the adopted Γ_π/Γ = 6.7(6)×10−6, with the uncertainty reduced from 9% to 5%; on its own it lowers Γ_rad and the rate by 11%. [4]
2020
Oslo Cyclotron LaboratoryUniversity of Oslo
Misura diretta in superficie · 12C(p,p′) a 10,7 MeV
Proton–γ–γ triple coincidences gave Γ_rad/Γ = 6.2(6)×10−4 and Γ_rad = 5.1(6)×10−3 eV, 34% above the adopted value. [5]
2021
RCNP, OsakaResearch Center for Nuclear Physics, Osaka University
Cinematica inversa e separatori di rinculo · 1H(12C,12C p), stato 3−₁ a 9,64 MeV
First experimental radiative-decay probability of the 3−₁ state, 1.3 (+1.2/−1.1)×10−6; the state increases the triple-α rate at high temperature, where it had been assumed to be negligible. [6]
2024
Variable Energy Cyclotron Centre, Kolkata
Misura diretta in superficie · coincidenze triple 12C(p,p′γγ), e una misura cinematicamente completa di 12C(p,p′)
Γ_rad/Γ = 4.01(30)×10−4, and 4.04(30)×10−4 from the independent kinematically complete experiment; with the adopted pair-decay values, Γ_rad = 3.75(40)×10−3 eV, consistent with the value adopted before 2020 and not with the 34% increase. [7]
2024
Misura diretta in superficie · stato di Hoyle, coincidenze di particelle cariche
An almost background-free measurement with charged-particle coincidences and a two-dimensional map of the coincidence efficiency: Γ_rad/Γ = 4.4(6)×10−4. [8]
2025
Oslo Cyclotron LaboratoryUniversity of Oslo
Misura diretta in superficie · 12C(p,p′) a 10,8 MeV
Remeasurement of the γ-decay branching ratio from triple coincidences, checked with a surrogate γ-ray cascade in 28Si, together with a reanalysis of the 2014 data used by Kibédi et al.: Γ_γ/Γ = 4.0(3)×10−4 and Γ_rad/Γ = 4.1(4)×10−4; the corrected analysis of the 2014 data gives 4.6(6)×10−4, no longer in conflict with the ENSDF average. [9]
Provala: una valutazione R-matrix
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Dettagli
At helium-burning temperatures (T9 ≈ 0.1–0.2) the rate proceeds sequentially: α + α forms the unbound 8Be ground state in equilibrium, and 8Be + α populates the 7.65 MeV 0+ Hoyle state of 12C (Salpeter 1952; Hoyle 1954). The Hoyle state decays almost always back to three α particles; the rate is therefore proportional to its radiative width Γ_rad = Γ_γ + Γ_π, the sum of the γ-decay and E0 pair-decay widths. Γ_rad is not measured directly but obtained as the product of three quantities: the γ-decay branching ratio Γ_rad/Γ, the pair-decay branching ratio Γ_π/Γ and the pair-decay width Γ_π (Freer and Fynbo 2014).
Recent work has questioned the adopted Γ_rad/Γ. Kibédi et al. (2020) found Γ_rad/Γ = 6.2(6)×10−4 from p–γ–γ coincidences and, combined with the new pair-decay branching ratio of Eriksen et al. (2020), Γ_rad = 5.1(6)×10−3 eV, about 34% above the previously adopted value. Eriksen et al. alone had lowered Γ_rad by 11% through a 14% larger Γ_π/Γ. Rana et al. (2024) found Γ_rad/Γ = 4.01(30)×10−4 from p–γ–γ triple coincidences, consistent with the previously adopted value and not with the 34% increase. Dell'Aquila et al. (2024), with charged-particle coincidences, found Γ_rad/Γ = 4.4(6)×10−4. Paulsen et al. (2025) remeasured the γ-decay branching ratio at Oslo, Γ_γ/Γ = 4.0(3)×10−4 and Γ_rad/Γ = 4.1(4)×10−4, and reanalysed the 2014 data used by Kibédi et al.: after correcting several issues in that analysis they obtain 4.6(6)×10−4, no longer discrepant with the ENSDF average of 4.16(11)×10−4. The measurements have therefore converged on the value adopted before 2020, with Kibédi et al. (2020) the outlier, now reanalysed. At high temperatures (T9 ≳ 1) broader states above the Hoyle state and non-resonant contributions matter: Fynbo et al. (2005) mapped the 12C continuum in β decay, and Tsumura et al. (2021) gave the first value for the radiative-decay probability of the 3−₁ state.
Valutazioni
Compilazioni che combinano i dati in un tasso di reazione raccomandato.
Questioni aperte
- Il rapporto di diramazione del decadimento γ dello stato di Hoyle è ormai convergente (Rana 2024, Dell'Aquila 2024, Paulsen 2025 e la nuova analisi dei dati del 2020 concordano su circa 4,1×10−4); Γ_rad dipende ancora dalle grandezze del decadimento in coppie, Γ_π/Γ e Γ_π, che lo moltiplicano.
- Il tasso a T9 ≳ 1, che dipende da stati larghi a energia più alta e dalla larghezza radiativa dello stato 3−₁, nota solo entro circa un fattore due.
Discussa nella pagina delle questioni aperte
Reazioni correlate
Bibliografia
- 1.
D. N. F. Dunbar, R. E. Pixley, W. A. Wenzel, W. Whaling
Phys. Rev. 92, 649 (1953) · 10.1103/PhysRev.92.649
- 2.
C. W. Cook, W. A. Fowler, C. C. Lauritsen, T. Lauritsen
Phys. Rev. 107, 508 (1957) · 10.1103/PhysRev.107.508
- 3.
H. O. U. Fynbo, C. Aa. Diget, U. C. Bergmann et al.
Revised rates for the stellar triple-α process from measurement of 12C nuclear resonances
Nature 433, 136 (2005) · 10.1038/nature03219
- 4.
T. K. Eriksen, T. Kibédi, M. W. Reed et al.
Improved precision on the experimental E0 decay branching ratio of the Hoyle state
Phys. Rev. C 102, 024320 (2020) · 10.1103/PhysRevC.102.024320 · arXiv:2007.15374
- 5.
T. Kibédi et al.
Radiative width of the Hoyle state from γ-ray spectroscopy
Phys. Rev. Lett. 125, 182701 (2020) · 10.1103/PhysRevLett.125.182701 · arXiv:2009.10915
- 6.
M. Tsumura et al.
Phys. Lett. B 817, 136283 (2021) · 10.1016/j.physletb.2021.136283
- 7.
T. K. Rana et al.
New measurement of the Hoyle state radiative transition width
Phys. Lett. B 859, 139083 (2024) · arXiv:2311.08781
- 8.
D. Dell'Aquila et al.
Clarifying the radiative decay of the Hoyle state with charged-particle spectroscopy
Sci. Rep. 14 (2024) · 10.1038/s41598-024-68415-6 · arXiv:2401.18026
- 9.
W. Paulsen et al.
Remeasuring the γ-decay branching ratio of the Hoyle state
Phys. Rev. C 112, 015803 (2025) · 10.1103/2h2s-sbyx · arXiv:2406.00397
- 10.
C. Angulo, M. Arnould, M. Rayet et al. (NACRE Collaboration)
A compilation of charged-particle induced thermonuclear reaction rates
Nucl. Phys. A 656, 3 (1999)
- 11.
M. Freer, H. O. U. Fynbo
Prog. Part. Nucl. Phys. 78, 1 (2014) · 10.1016/j.ppnp.2014.06.001
Come citare questa pagina
J. Skowronski, 4He(αα,γ)12C, in Atlante delle reazioni, 2026-10-12, https://jskowron.eu/it/atlas/4He-aa-12C.
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