Reatores de fusão podem produzir axíões de matéria escura

Os reatores concebidos para gerar energia através da fusão de átomos poderão trazer um benefício científico inesperado.

Uma equipa internacional de investigadores demonstrou que partículas de baixa massa do setor escuro, como o hipotético axião, poderão ser produzidas em instalações de fusão - não como subprodutos do processo de fusão, mas por meio das interações entre neutrões de alta energia e as paredes do reator.

A proposta abre uma via teórica realista para algo antes considerado impossível e representa um passo promissor para futuras buscas experimentais.

Matéria escura e axíões

A matéria escura é uma das maiores incógnitas do cosmos: uma solução teórica para um enigma observado.

Em termos simples, a quantidade de matéria normal existente no Universo é demasiado reduzida para explicar a intensidade da gravidade que observamos. Há algo ainda não identificado que mantém o Universo unido gravitacionalmente numa vasta teia, sem emitir nem absorver qualquer luz detetável e quase sem interagir com o resto, para lá da gravidade.

Chamamos a esse algo matéria escura. Os cientistas calculam que a matéria normal representa apenas cerca de 16 percent da matéria do Universo, enquanto os restantes 84 percent são constituídos por matéria escura.

Existem numerosos candidatos teóricos para a sua identidade, desde buracos negros microscópicos a partículas massivas de interação fraca e partículas ultraleves, incluindo os axíões - um dos candidatos mais fortes.

A ideia de que os axíões, ou partículas semelhantes a axíões, possam resultar da fusão estelar não é nova, havendo vários mecanismos já propostos. Por isso, é lógico supor que também possam surgir num reator de fusão.

Contudo, há um grande obstáculo devastador: a quantidade prevista de axíões provenientes de uma estrela, quanto mais de um reator muito menor, é muito, muito baixa para poder ser detetada.

"Depois de concluirmos este trabalho, descobrimos que uma ideia semelhante de produzir axíões em instalações de fusão foi abordada nos episódios SE501-SE503 da série de comédia The Big Bang Theory," escreve, num novo artigo, uma equipa liderada pelo físico Jure Zupan, da Universidade de Cincinnati.

"Sheldon Cooper e Leonard Hofstadter consideraram a produção de axíões no plasma, o que, infelizmente, não conduz a um fluxo de axíões suficientemente elevado."

Como os reatores de fusão podem produzir axíões

Em vez de se focarem no plasma, Zupan e a sua equipa analisaram outra possibilidade: a absorção do enorme fluxo de neutrões de alta energia pelo lítio no manto fértil de um reator de fusão de deutério-trítio.

O processo funciona da seguinte forma. Neste tipo de reator de fusão, o manto fértil é uma camada espessa de material rico em lítio que envolve o vaso de vácuo situado no núcleo do reator. Tem uma dupla finalidade. À medida que o plasma circula, gera um enorme fluxo de neutrões extremamente energéticos. Estes embatem no manto, ajudando a converter a energia cinética que transportam em calor para produção de eletricidade.

Simultaneamente, os neutrões são capturados pelos núcleos de lítio, que depois se desintegram em hélio e trítio. O reator pode utilizar esse trítio para continuar a alimentar-se. Chama-se manto fértil porque «produz» trítio. É bastante engenhoso.

Segundo os investigadores, as interações com o manto fértil e com as paredes do reator poderão também gerar outras partículas.

A análise matemática da equipa indica que os axíões ou partículas semelhantes a axíões também podem surgir em interações de captura de neutrões, ou pela libertação de energia quando um neutrão abranda depois de se dispersar contra outra partícula - um fenómeno conhecido como bremsstrahlung de neutrões.

O fluxo teórico de partículas semelhantes a axíões resultante destes processos é muito superior ao fluxo produzido pela fusão e poderá até atingir níveis detetáveis fora das paredes do reator, concluíram os investigadores. O trabalho oferece uma nova forma de procurar respostas para os mistérios da matéria escura.

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

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

A investigação foi publicada no Journal of High Energy Physics.