A busca por matéria escura costuma acontecer em laboratórios subterrâneos, telescópios e detectores ultrassensíveis. Mas há um lugar menos óbvio que pode entrar nesse jogo: reatores de fusão, projetados principalmente para gerar energia ao unir átomos.
Um grupo internacional de pesquisadores mostrou que partículas leves do “setor escuro”, como o hipotético áxion, podem ser produzidas em instalações de fusão - não como resultado direto da fusão em si, e sim a partir de interações entre nêutrons de alta energia e as estruturas do reator, como suas paredes.
A proposta transforma o que antes parecia inviável em um caminho teórico plausível e em um passo promissor rumo a futuras buscas experimentais.
Matéria escura é uma das maiores interrogações da cosmologia: 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 que ainda não identificamos estaria mantendo o Universo coeso em uma enorme teia gravitacional, sem emitir nem absorver luz detectável e quase sem interagir com o restante - além da gravidade.
Chamamos esse algo de matéria escura. Cálculos indicam que a matéria comum responde por cerca de 16% da matéria do Universo, enquanto os outros 84% seriam matéria escura.
Há muitos candidatos teóricos para explicar do que ela é feita: de buracos negros microscópicos a partículas massivas fracamente interagentes e partículas ultraleves, incluindo os áxions - um dos principais concorrentes.
A ideia de que áxions, ou partículas semelhantes a áxions, possam surgir da fusão em estrelas não é nova; vários mecanismos já foram propostos. Por isso, parece razoável imaginar que eles também poderiam aparecer em um reator de fusão.
Só que existe um porém grande (e fatal): a quantidade de áxions esperada de uma estrela - e, mais ainda, de um reator muito menor - é baixa demais para ser detectada.
“Depois de concluir este trabalho, soubemos que uma ideia parecida de produzir áxions em instalações de fusão foi discutida nos episódios SE501-SE503 do seriado The Big Bang Theory”, escreve uma equipe liderada pelo físico Jure Zupan, da Universidade de Cincinnati, em um novo artigo.
“Sheldon Cooper e Leonard Hofstadter consideraram a produção de áxions no plasma, o que infelizmente não gera um fluxo de áxions grande o suficiente.”
Em vez de olhar para o plasma, Zupan e seus colegas exploraram outra rota: a absorção do enorme fluxo de nêutrons de alta energia pelo lítio no breeding blanket (manta de reprodução) de um reator de fusão deutério-trítio.
Funciona assim. Nesse tipo de reator, a manta de reprodução é uma camada espessa de material rico em lítio que envolve o vaso de vácuo no núcleo. Ela serve para duas coisas. À medida que o plasma circula, ele produz um fluxo gigantesco de nêutrons muito energéticos. Esses nêutrons atingem a manta, ajudando a converter a energia cinética que carregam em calor, que pode ser usado na geração de energia.
Ao mesmo tempo, os nêutrons são capturados por núcleos de lítio, que então se fragmentam em hélio e trítio. O reator pode usar esse trítio para se abastecer e continuar operando. Ela é chamada de manta de reprodução porque “produz” trítio. É um arranjo bem engenhoso.
Os pesquisadores apontam que as interações com a manta de reprodução e com as paredes do reator podem gerar outras partículas também.
A análise matemática deles indica que áxions ou partículas do tipo áxion podem surgir tanto em interações de captura de nêutrons quanto na liberação de energia conforme o nêutron desacelera após espalhar em outra partícula - um fenômeno conhecido como bremsstrahlung de nêutrons.
Segundo o estudo, o fluxo teórico dessas partículas tipo áxion por esses processos é bem maior do que o fluxo vindo diretamente da fusão e pode até alcançar níveis detectáveis fora das paredes do reator. Isso abre uma nova perspectiva para procurar respostas para o mistério da matéria escura.
“O Sol é um objeto enorme que produz muita energia. A chance 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”, diz 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.
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