Reatores de fusão podem forjar áxions do setor escuro nas paredes

Reatores concebidos para gerar energia pela fusão de átomos podem trazer um benefício científico inesperado.

Um grupo internacional de investigadores demonstrou que partículas leves do setor escuro, como o hipotético áxion, podem ser produzidas em instalações de fusão - não como subprodutos diretos da fusão, mas por meio de interações entre nêutrons de alta energia e as paredes do reator.

A proposta transforma uma ideia antes tida como inviável numa rota teórica realista e num passo animador rumo a futuras buscas experimentais.

Matéria escura e a hipótese do áxion

A matéria escura é um dos maiores pontos de interrogação da cosmologia: uma solução teórica para um problema observado.

Em resumo, a quantidade de matéria comum no Universo é pequena demais para gerar toda a gravidade que medimos. Algo ainda não identificado parece manter o Universo ligado numa imensa rede gravitacional, sem emitir nem absorver luz detetável e sem interagir significativamente com o restante - além da própria gravidade.

É a esse “algo” que chamamos de matéria escura. Os cálculos indicam que a matéria normal representa apenas cerca de 16 por cento da matéria do Universo, enquanto os 84 por cento restantes seriam matéria escura.

Há muitos candidatos teóricos para explicar do que ela é feita - de buracos negros microscópicos a partículas massivas de interação fraca, passando por partículas ultraleves. Entre estas últimas, os áxions figuram entre as hipóteses mais fortes.

Por que a fusão estelar não basta - e o que um reator pode mudar

A ideia de que áxions, ou partículas semelhantes a áxions, possam surgir em processos de fusão no interior de estrelas não é nova; já foram sugeridos vários mecanismos. Por isso, à primeira vista, pareceria razoável que um reator de fusão também pudesse produzir áxions.

O problema é um - e é decisivo: a quantidade de áxions esperada a partir de uma estrela, e muito mais a partir de um reator muito menor, seria tão baixa que ficaria muito aquém do que seria possível detetar.

"Depois de concluir este trabalho, soubemos que uma ideia semelhante de produzir áxions em instalações de fusão foi discutida nos episódios SE501-SE503 da série de comédia A Teoria do Big Bang", escreve uma equipa liderada pelo físico Jure Zupan, da Universidade de Cincinnati, num novo artigo.

"Sheldon Cooper e Leonard Hofstadter consideraram a produção de áxions no plasma, o que infelizmente não leva a um fluxo de áxions suficientemente grande."

Blanket de reprodução de lítio: nêutrons, paredes e produção de partículas do setor escuro

Em vez de procurar no plasma, Zupan e colegas propuseram um caminho diferente: a absorção do enorme fluxo de nêutrons de alta energia pelo lítio no blanket de reprodução (camada reprodutora) de um reator de fusão deutério-trítio.

O mecanismo é o seguinte. Nesse tipo de reator, o blanket de reprodução é uma camada espessa de material rico em lítio que envolve o vaso de vácuo no núcleo do sistema. Ele tem duas funções principais. Enquanto o plasma circula, produz um fluxo enorme de nêutrons muito energéticos. Esses nêutrons atingem o blanket, que ajuda a converter a energia cinética que eles transportam em calor, usado na produção de energia.

Em paralelo, os nêutrons são capturados pelos núcleos de lítio, que então se fragmentam em hélio e trítio. O reator pode usar esse trítio para continuar a alimentar a própria operação. Chama-se blanket de reprodução porque ele “reproduz” trítio - um truque engenhoso.

Os investigadores concluíram que as interações no blanket de reprodução e nas paredes do reator podem gerar outras partículas também.

A análise matemática do grupo indica que áxions, ou partículas do tipo áxion, poderiam surgir tanto em interações de captura de nêutrons quanto na libertação de energia conforme o nêutron perde energia depois de se espalhar por outra partícula - um efeito conhecido como bremsstrahlung de nêutrons.

Segundo os autores, o fluxo teórico de partículas semelhantes a áxions produzido por esses processos seria muito maior do que o fluxo associado diretamente à fusão e poderia até alcançar níveis detetáveis fora das paredes do reator. Com isso, o estudo abre mais uma via para procurar respostas às incógnitas da matéria escura.

"O Sol é um objeto enorme que produz muita energia. A probabilidade de novas partículas serem produzidas no Sol e chegarem à Terra é maior do que a probabilidade de serem produzidas em reatores de fusão usando os mesmos processos do Sol", afirma Zupan.

"No entanto, ainda é possível produzi-las em reatores usando um conjunto diferente de processos."

A pesquisa foi publicada no Jornal de Física de Altas Energias.