Reatores de fusão podem produzir áxions e ajudar na busca pela matéria escura

Reatores concebidos para gerar energia a partir da fusão de átomos podem trazer um benefício científico inesperado.

Um grupo internacional de cientistas demonstrou que partículas leves do chamado setor escuro - como o áxion, ainda hipotético - talvez possam ser geradas em instalações de fusão. E não como subproduto direto da fusão, mas a partir de interações entre nêutrons de alta energia e as paredes do reator.

A proposta transforma uma hipótese que antes parecia inviável numa rota teórica plausível e num passo promissor para futuras buscas experimentais.

Matéria escura, gravidade e o áxion

A matéria escura está entre as maiores incógnitas da cosmologia: é uma solução teórica para um problema observado.

Em resumo, a quantidade de matéria “normal” no Universo é pequena demais para explicar a gravidade que medimos. Algo ainda não identificado estaria mantendo o Universo unido numa enorme teia, sem emitir nem absorver luz detetável e quase sem interagir com o restante do cosmos - exceto por meio da gravidade.

A esse “algo” damos o nome de matéria escura. Pelos cálculos, a matéria comum corresponde a apenas cerca de 16% da matéria do Universo, enquanto os 84% restantes seriam matéria escura.

Não faltam candidatos teóricos para explicar do que ela seria feita: de miniburacos negros a partículas massivas de interação fraca, passando por partículas ultraleves - um grupo em que se enquadram os áxions, um dos favoritos.

Por que a fusão (sozinha) não gera áxions suficientes

A ideia de que áxions ou partículas semelhantes ao áxion possam surgir em fusão estelar não é recente, e já existem vários mecanismos propostos. Por isso, faz sentido imaginar que um reator de fusão também pudesse produzir áxions.

O problema é grande e, na prática, determinante: a quantidade de áxions esperada numa estrela - e, mais ainda, num reator muito menor - é tão, tão baixa que não chegaria a ser detetável.

"Após a conclusão deste 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 resulta num fluxo de áxions suficientemente grande."

Reator de fusão deutério-trítio e a manta reprodutora de lítio

Em vez de procurar o efeito no plasma, Zupan e colegas analisaram um caminho alternativo: a absorção do enorme fluxo de nêutrons de alta energia pelo lítio na manta reprodutora de um reator de fusão deutério-trítio.

O mecanismo funciona assim. Nesse tipo de reator, a manta reprodutora é uma camada espessa de material rico em lítio que envolve o vaso de vácuo no núcleo do reator. Ela tem duas funções principais. Enquanto o plasma circula, produz um fluxo gigantesco de nêutrons muito energéticos. Esses nêutrons atingem a manta, que ajuda a converter a energia cinética transportada por eles em calor, usado na geração de eletricidade.

Em paralelo, parte desses nêutrons é capturada por núcleos de lítio, que depois se fragmentam em hélio e trítio. O reator pode então usar esse trítio para continuar a alimentar o próprio processo. O nome “manta reprodutora” vem justamente do facto de ela “reproduzir” trítio - uma solução engenhosa.

Os investigadores concluíram que as interações com a manta reprodutora e com as paredes do reator podem também originar outras partículas.

Interações de nêutrons e a possível produção de partículas do setor escuro

A análise matemática do grupo indica que áxions ou partículas semelhantes ao áxion poderiam surgir em interações de captura de nêutrons. Além disso, eles podem ser produzidos quando há libertação de energia à medida que um nêutron desacelera após espalhar-se por outra partícula - um fenómeno conhecido como bremsstrahlung de nêutrons.

Segundo os autores, o fluxo teórico de partículas semelhantes ao áxion gerado por esses processos supera em muito o fluxo associado à própria fusão e pode até alcançar níveis detetáveis do lado de fora das paredes do reator. O resultado abre uma nova perspetiva para procurar respostas aos mistérios da matéria escura.

"O Sol é um objeto enorme que produz muita potência. A probabilidade de novas partículas serem produzidas no Sol e chegarem à Terra é maior do que a 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 Journal of High Energy Physics.