Reatores de fusão podem ajudar a caçar matéria escura ao gerar áxions

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

Uma equipa internacional de investigadores mostrou que partículas leves do chamado setor escuro - como o hipotético áxion - podem ser produzidas em instalações de fusão. Só que não como subprodutos diretos da fusão: elas surgiriam de interações entre nêutrons de alta energia e as paredes do reator.

A proposta transforma um cenário antes visto como inviável num caminho teórico plausível e num passo promissor para futuras buscas experimentais.

Matéria escura e o papel do áxion

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

Em termos simples, a quantidade de matéria “normal” no Universo é pequena demais para explicar a gravidade total que medimos. Parece haver algo ainda não identificado que mantém o Universo ligado numa imensa teia gravitacional, sem emitir nem absorver luz detetável e com pouquíssima interação com o restante - para além da gravidade.

A esse “algo” damos o nome de matéria escura. Os cálculos indicam que a matéria comum representa apenas cerca de 16 por cento de toda a matéria do Universo, enquanto os 84 por cento restantes seriam de matéria escura.

Há muitos candidatos teóricos para explicar o que ela é - de buracos negros microscópicos a partículas massivas que interagem fracamente e também partículas ultraleves, entre elas os áxions, que estão entre os principais concorrentes.

Por que a fusão por si só não resolveria

A ideia de que áxions ou partículas semelhantes ao áxion possam aparecer a partir da fusão estelar não é nova, e já foram propostos vários mecanismos. Assim, faria sentido imaginar que áxions também pudessem surgir num reator de fusão.

Só que existe um obstáculo enorme e decisivo: a quantidade de áxions esperada de uma estrela - e ainda mais de um reator muito menor - seria, de longe, pequena demais para ser detetada.

"Depois de concluirmos este trabalho, soubemos que uma ideia semelhante de produzir áxions em instalações de fusão foi discutida nos episódios SE501-SE503 do seriado 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."

O caminho alternativo: nêutrons, lítio e a manta de reprodução

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

O mecanismo funciona assim. Nesse tipo de reator, a manta de reprodução é uma camada espessa, rica em lítio, que envolve o vaso de vácuo no núcleo do reator. Ela tem dois objetivos principais. À medida que o plasma gira e se mantém confinado, produz um fluxo enorme de nêutrons muito energéticos. Esses nêutrons atingem a manta, que ajuda a transformar a energia cinética que eles carregam em calor para gerar eletricidade.

Ao mesmo tempo, os nêutrons são capturados por núcleos de lítio, que depois se partem e formam hélio e trítio. O reator pode usar esse trítio para se abastecer e continuar a operar. Ela recebe o nome de manta de reprodução porque “reproduz” trítio - um sistema engenhoso.

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

Como os áxions poderiam surgir nas paredes do reator

A análise matemática do grupo indica que áxions, ou partículas semelhantes ao áxion, podem aparecer tanto em interações de captura de nêutrons quanto na libertação de energia quando um nêutron desacelera após espalhar-se noutra partícula - um fenómeno conhecido como bremsstrahlung de nêutrons.

Segundo os autores, o fluxo teórico de partículas semelhantes ao áxion gerado por esses processos é muito maior do que o fluxo associado à própria fusão e pode até alcançar níveis detetáveis fora das paredes do reator. O trabalho, assim, oferece uma nova forma de procurar respostas para o enigma da matéria escura.

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

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

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