Reatores de fusão podem produzir áxions e ajudar a procurar matéria escura

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

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

A ideia transforma algo que antes parecia inviável num caminho teórico plausível e num passo promissor para futuras buscas experimentais.

Matéria escura, setor escuro e áxions

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 que medimos. Deve existir algo ainda não identificado a manter o Universo unido numa imensa teia gravitacional - sem emitir ou absorver luz detetável e quase sem interagir com o restante, para além do efeito gravitacional.

A esse “algo” dá-se o nome de matéria escura. Pelos cálculos, a matéria comum representa apenas cerca de 16% de toda a matéria do Universo, enquanto os 84% restantes seriam matéria escura.

Existem vários candidatos teóricos para a sua identidade, desde buracos negros microscópicos até partículas massivas que interagem muito pouco, passando por partículas ultraleves - entre elas os áxions, que estão entre as hipóteses mais fortes.

O obstáculo: fluxo ínfimo em processos de fusão

A possibilidade de áxions (ou partículas semelhantes a áxions) surgirem a partir da fusão estelar não é novidade: já foram propostos diversos mecanismos. Por isso, faz sentido imaginar que um reator de fusão também pudesse gerar áxions.

O problema é um só - e é decisivo: a quantidade prevista de áxions produzidos por uma estrela, quanto mais por um reator muito menor, é baixa demais para qualquer deteção prática.

"Depois de concluirmos este trabalho, tomámos conhecimento de que uma ideia semelhante - a de produzir áxions em instalações de fusão - foi discutida nos episódios SE501–SE503 da série de comédia A Teoria da Grande Explosão", 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 gera um fluxo de áxions suficientemente elevado."

Uma rota alternativa em reatores: nêutrons, lítio e paredes

Em vez de procurar áxions no plasma, Zupan e colegas seguiram outra via: a absorção do enorme fluxo de nêutrons de alta energia pelo lítio presente 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 duas funções. Enquanto o plasma circula, forma-se um fluxo gigantesco de nêutrons muito energéticos. Esses nêutrons atingem a manta, ajudando a transformar a energia cinética que transportam em calor, que pode ser convertido em eletricidade.

Ao mesmo tempo, os nêutrons são capturados por núcleos de lítio, que depois se fragmentam em hélio e trítio. Esse trítio pode então ser reutilizado pelo próprio reator como combustível. Chama-se “manta de reprodução” porque ela produz (ou “cria”) trítio - um arranjo particularmente engenhoso.

Segundo os investigadores, as interações envolvendo a manta de reprodução e as paredes do reator também podem dar origem a outras partículas.

A análise matemática indica que áxions - ou partículas semelhantes a áxions - poderiam aparecer tanto em interações de captura de nêutrons como no processo em que o nêutron, ao desacelerar após se espalhar por outra partícula, liberta energia; esse fenómeno é conhecido como bremsstrahlung de nêutrons.

Os autores concluem que o fluxo teórico de partículas semelhantes a áxions gerado por esses mecanismos é muito mais elevado do que o fluxo esperado diretamente da fusão e pode até chegar a níveis detetáveis fora das paredes do reator. Com isso, abre-se uma nova forma de procurar respostas para o mistério da matéria escura.

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

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

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