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

Matéria escura é uma incógnita enorme

Reatores criados para gerar energia por fusão podem acabar entregando algo bem diferente do que eletricidade: uma oportunidade inesperada de investigar a matéria escura.

Um time internacional de pesquisadores mostrou que partículas leves do “setor escuro”, como o axion (hipotético), podem ser produzidas em instalações de fusão - não como subproduto direto da fusão em si, mas a partir de interações entre nêutrons de alta energia e as paredes do reator.

A proposta transforma o que antes parecia inviável em um caminho teórico realista e em um passo promissor rumo a futuras buscas experimentais.

A matéria escura é um dos maiores pontos de interrogação do cosmos, uma solução teórica para um problema observado.

Em resumo, a quantidade de matéria “normal” no Universo é pequena demais para explicar toda a gravidade que medimos. Há algo que ainda não identificamos mantendo o Universo amarrado em uma vasta teia gravitacional, sem emitir ou absorver luz detectável e quase não interagindo com o restante - além da gravidade.

Chamamos esse algo de matéria escura. Os cientistas estimam que a matéria comum representa apenas cerca de 16% da matéria do Universo, enquanto os 84% restantes seriam matéria escura.

Existem muitos candidatos teóricos para explicar sua natureza, desde buracos negros microscópicos até partículas massivas de interação fraca e partículas ultraleves - incluindo os axions, um dos principais concorrentes.

A ideia de que axions ou partículas semelhantes a axions podem surgir da fusão estelar não é nova; vários mecanismos já foram propostos. Por isso, parece razoável pensar que axions também poderiam aparecer em um reator de fusão.

Mas há um porém grande e desanimador: a quantidade de axions esperada de uma estrela - e, mais ainda, de um reator muito menor - é baixa demais para ser detectada.

"After completion of this work we became aware that a similar idea of producing axions in fusion facilities was discussed in episodes SE501-SE503 of the sitcom show The Big Bang Theory," writes a team led by physicist Jure Zupan of the University of Cincinnati in a new paper.

"Sheldon Cooper and Leonard Hofstadter considered production of axions in plasma, which unfortunately does not lead to a large enough axion flux."

Em vez de focar no plasma, Zupan e sua equipe partiram para outra rota: a absorção do enorme fluxo de nêutrons de alta energia pelo lítio no breeding blanket de um reator de fusão deutério-trítio.

Funciona assim. Nesse tipo de reator, o breeding blanket é uma camada espessa de material rico em lítio que envolve o vaso de vácuo no núcleo do reator. Isso tem dois objetivos. Enquanto o plasma circula, ele gera um fluxo gigantesco de nêutrons muito energéticos. Esses nêutrons atingem o blanket, ajudando a converter a energia cinética que carregam em calor para a produção de energia.

Ao mesmo tempo, os nêutrons são capturados por núcleos de lítio, que então se quebram em hélio e trítio. O reator pode usar esse trítio como combustível para continuar operando. Chama-se breeding blanket porque ele “cria” trítio. É um sistema bem engenhoso.

Os pesquisadores concluíram que as interações com o breeding blanket e com as paredes do reator podem gerar outras partículas também.

A análise matemática indica que axions ou partículas do tipo axion podem emergir em interações de captura de nêutrons, ou a partir da liberação de energia quando o nêutron desacelera após se espalhar ao colidir com outra partícula - um fenômeno conhecido como bremsstrahlung de nêutrons.

Segundo os autores, o fluxo teórico de partículas semelhantes a axions por esses processos é muito mais alto do que o fluxo vindo diretamente da fusão, e pode até chegar a níveis detectáveis do lado de fora das paredes do reator. O trabalho abre um novo jeito de procurar respostas para os mistérios da matéria escura.

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

"However, one can still produce them in reactors using a different set of processes."

A pesquisa foi publicada no Journal of High Energy Physics.