碳是生命的基石，人们认为它主要是在恒星的核心内部形成的。但一项新的实验正在测试另一种观点：其中一些可能是在超新星爆发或中子星碰撞过程中形成的。要形成碳-12的原子核（元素最常见的形式，有六个质子和六个中子），必须发生一个罕见的过程：三个氦-4原子核（也称为α粒子，每个包含两个质子和两个中子）需要聚集在一起，达到独特的激发态并结合形成碳。科学家估计，稳定的碳原子只有在三个氦-4同位素结合时，每10000次中约有4次才能产生。传统上，这种碳形成的“三α过程”被认为发生在恒星核心内部，但俄亥俄大学的一项新的粒子加速器实验旨在测试另一种情况，即在恒星爆炸和碰撞时存在的额外中子的帮助下，该元素可以更有效地产生。
我们目前对三α过程的理解主要来自天文学家弗雷德·霍伊尔，他于 1954 年著名地预测，碳-12的特殊激发态必须在合成过程中出现。后来的科学家观察到了这种所谓的霍伊尔态，并证实碳随后会发射伽马射线，使其去激发到基态或稳定态。
科学家们长期以来怀疑其他粒子可能在去激发过程中发挥作用，特别是中子，中子不带电荷，可以穿透原子核并带走额外的能量。然而，测量中子能量一直很困难。几年前，圣路易斯华盛顿大学的物理学家李·索博特卡决定，是时候开发一个实验来检验这个想法了。他阅读了《物理评论快报》上的一篇论文，该论文预测中子可以将三α过程的效率提高100倍以上。他认为，一种名为时间投影室（TPC）的技术，对核物理学来说相对较新，可能是完成这项工作的正确工具。
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完全实现的实验于3月10日在俄亥俄大学的爱德华兹加速器实验室开始。它采用了一种名为得克萨斯活动靶，或TexAT的TPC型探测器，该探测器由索博特卡在德克萨斯A&M大学的合作者开发。该探测器看起来像一个带有前窗的微波炉，安装在最初设计用于中子测量的30米长、2米宽的地下隧道的近端。一个50年前的、校车大小的现场粒子加速器产生一束中子，然后将其射入探测器，在那里它们轰击二氧化碳气体样本。“我们在这里所做的是测量原始三α过程的逆反应的截面或概率，”索博特卡说。由于霍伊尔态只能存在于一瞬间，因此几乎不可能直接测量它。在逆反应中，中子会撞击碳原子核，将其激发到霍伊尔态，产生α粒子，然后以较低的能量离开现场。“通过执行逆向测量来测量中子碰撞使霍伊尔态去激发的概率是一种聪明的方法，”英国伯明翰大学的马丁·弗里尔说，他没有参与该实验。
正在进行的得克萨斯活动靶 (TexAT) 实验中观察到的三α事件的图示。左侧显示了实验情况，一个快中子和一个碳-12原子结合在一起，产生三个α粒子和一个慢中子。右侧是一个时间反转镜，显示了太空中实际发生的情况：三个α粒子和一个慢中子合并形成碳-12和一个快中子。图片来源：杰克·毕晓普得克萨斯A&M大学
德克萨斯A&M大学的格里戈里·罗加切夫是TexAT团队的负责人，他说测量逆反应是合理的，因为该反应的概率与原始反应的概率之间存在统计关系。他说，TexAT花了科学家六年时间开发，它可以拍摄探测器内部带电粒子的照片。在本实验中，当α粒子被击出并向不同方向散射时，它们会使气体电离，并在沿途释放电子。这些电子又会屈服于探测器中的电场，向上漂移到顶部检测面板，在那里它们的空间位置会立即被标记下来。将此信息与它们的到达时间相结合，科学家们可以轻松地以可视化方式重建α粒子的 3D 轨迹。
丹麦奥胡斯大学的汉斯·芬博没有参与这项研究，他说在与此测量相关的低能量下，识别霍伊尔态的所谓α衰变是一件困难的事情。他说，TexAT的新颖之处在于它“既是探测器又是目标”，这在实验核物理学中是一个相对较新的概念。
在实验的第一天，每秒钟大约有 5,000 个中子被送入探测器。其中只有大约百万分之一触发了逆三α过程。它们中的大多数只是穿过探测器到达隧道的深处，并进入容纳加速器实验室的山坡。
据弗里尔和芬博说，研究人员大约每五分钟收集到一个事件，这相当成功。该实验计划运行两周，但该团队在校园因冠状病毒撤离后，不得不第一周就放弃了隧道中的探测器。研究人员计划尽快返回以收集数据并分析结果。芬博说，如果结果证明预测的增强系数为100，“那将是非常重要的”。
索博卡说，一旦数据可用，下一步将是邀请天体物理学家加入对话，并解释这种中子诱导碳形成所需的宇宙环境。这种情况可能与恒星中安静的燃烧过程完全不同。弗里尔说，它可能是“超新星或中子星合并”，其中不仅粒子密度更高，而且可能存在更多的中子。然而，在这种灾难性过程中产生的碳可能不一定会显着增加宇宙中碳的总量，因为它们充当“在这些爆炸中产生的更重元素合成的种子”，他指出。换句话说，这些碳原子可能会被吸收以创造元素周期表中的其他成员。