Físicos mostram que reatores de fusão podem gerar partículas de matéria escura.

Reatores concebidos para gerar energia a partir da fusão de átomos podem trazer um benefício científico inesperado: ajudar na caça à matéria escura.

Matéria escura: o grande ponto de interrogação do cosmos

Entre os maiores enigmas da cosmologia está uma discrepância simples de enunciar e difícil de resolver: a quantidade de matéria comum no Universo é pequena demais para explicar a força gravitacional observada em galáxias e aglomerados. Em outras palavras, vemos efeitos gravitacionais intensos, mas não encontramos luz (emitida ou absorvida) suficiente que justifique essa massa adicional.

A hipótese mais aceita é que exista alguma forma de matéria ainda não identificada que “costura” o Universo numa vasta rede gravitacional, interagindo muito pouco com o restante - quase sempre apenas por meio da gravidade - e sem produzir sinais luminosos detectáveis. A essa componente damos o nome de matéria escura.

As estimativas indicam que a matéria comum responde por apenas cerca de 16% do conteúdo de matéria do Universo, enquanto os 84% restantes seriam de matéria escura.

Candidatos à matéria escura e o papel do áxion

Há diversas propostas teóricas para explicar do que a matéria escura seria feita, variando de buracos negros microscópicos a partículas massivas que interagem fracamente, além de partículas ultraleves. Nesse conjunto, o áxion (e partículas semelhantes ao áxion) aparece com frequência como um dos candidatos mais fortes.

A ideia de que áxions ou partículas do tipo áxion possam surgir em ambientes de fusão estelar não é recente: já foram sugeridos múltiplos mecanismos em estrelas. Por analogia, pareceria natural imaginar que um reator de fusão também pudesse produzir essas partículas.

O problema é que existe um obstáculo severo: mesmo em estrelas, a quantidade esperada de áxions é extremamente pequena; em um reator - muito menor - a previsão seria ainda mais desfavorável, tornando a detecção praticamente inviável.

Produção de áxions em reatores de fusão: uma rota alternativa

Um grupo internacional de pesquisadores apresentou um caminho teórico mais promissor para produzir partículas do setor escuro de baixa massa - como o áxion hipotético - em instalações de fusão. O ponto central é que elas não precisariam surgir como subproduto direto da fusão no plasma, mas sim de processos induzidos por nêutrons de alta energia ao interagirem com materiais ao redor.

Em um artigo liderado pelo físico Jure Zupan, da Universidade de Cincinnati, os autores comentam que, após concluírem o trabalho, perceberam que uma ideia parecida apareceu em episódios (SE501–SE503) da série de comédia A Teoria do Big Bang: os personagens Sheldon Cooper e Leonard Hofstadter discutiam a produção de áxions no plasma - abordagem que, segundo os autores, não geraria um fluxo de áxions alto o suficiente.

A proposta do estudo, porém, troca o foco: em vez de insistir no plasma, considera-se a absorção do enorme fluxo de nêutrons por lítio em uma parte essencial de um reator de fusão deutério-trítio.

O que é a manta de reprodução e por que ela importa

Em reatores de fusão do tipo deutério-trítio, existe uma manta de reprodução: uma camada espessa de material rico em lítio que envolve o vaso a vácuo do núcleo do reator. Essa manta cumpre duas funções fundamentais:

1. Aproveitamento de energia: o plasma gera um fluxo intenso de nêutrons muito energéticos. Ao colidirem com a manta, esses nêutrons ajudam a transferir sua energia cinética, que pode ser convertida em calor para produção de energia.
2. Geração de combustível: parte dos nêutrons é capturada por núcleos de lítio, que então se fragmentam, produzindo hélio e trítio. O trítio gerado pode retornar ao sistema como combustível, daí o nome “manta de reprodução”: ela “reproduz” trítio.

Os pesquisadores argumentam que, além de calor e trítio, as interações entre nêutrons, a manta de reprodução e as paredes do reator podem dar origem a outras partículas - potencialmente incluindo áxions ou partículas semelhantes ao áxion.

Onde entram os nêutrons: captura e bremsstrahlung

A análise matemática do grupo indica duas rotas principais pelas quais áxions (ou partículas do tipo áxion) poderiam aparecer nesses ambientes:

• Interações de captura de nêutrons: processos em que o nêutron é absorvido por um núcleo e, durante a reorganização nuclear, energia é liberada de maneiras que podem favorecer a emissão dessas partículas hipotéticas.
• Bremsstrahlung de nêutrons: quando um nêutron desacelera após espalhar-se em outra partícula, ele pode liberar energia nesse processo de frenagem (um fenômeno chamado “bremsstrahlung”), o que também poderia gerar áxions ou partículas do tipo áxion.

Segundo os autores, o fluxo teórico de partículas do tipo áxion gerado por esses mecanismos pode ser muito maior do que o fluxo associado aos processos de fusão em si - e, em certos cenários, poderia até alcançar níveis detectáveis fora das paredes do reator.

Por que isso pode ajudar a buscar matéria escura

A conclusão do trabalho é que instalações de fusão oferecem uma nova janela para procurar soluções para o mistério da matéria escura, explorando processos distintos daqueles tipicamente associados ao Sol e a outras estrelas.

Como resume Zupan, o Sol é um objeto colossal e extremamente potente; por isso, a chance de novas partículas serem produzidas lá e chegarem até a Terra é maior do que em reatores, caso se considerem os mesmos processos. Ainda assim, em reatores seria possível produzir essas partículas por um conjunto diferente de mecanismos, baseado em nêutrons e materiais estruturais.

Um desdobramento natural dessa linha de pesquisa é pensar em estratégias experimentais: detectores próximos a reatores poderiam procurar assinaturas raras compatíveis com partículas do setor escuro, ao mesmo tempo em que precisariam lidar com um ambiente desafiador, repleto de radiação de fundo e ruídos induzidos por nêutrons. A vantagem é que reatores oferecem condições controláveis - potência, ciclos de operação e geometrias de blindagem - o que pode permitir testes dedicados e comparações entre “reator ligado” e “reator desligado”.

Além disso, como a manta de reprodução e os materiais das paredes variam entre projetos, diferentes escolhas de engenharia (composições ricas em lítio, configurações de blindagem e tipos de revestimento) podem alterar as taxas previstas, transformando o próprio desenho do reator em uma alavanca para maximizar a sensibilidade a essas partículas sem interferir na missão principal de produzir energia.

A pesquisa foi publicada na Revista de Física de Altas Energias.