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

Reactores concebidos para gerar energia através da fusão de átomos podem trazer um benefício científico inesperado.

Uma equipa internacional de investigadores demonstrou que partículas leves do sector escuro, como o hipotético áxion, poderão ser “forjadas” em instalações de fusão - não como produtos secundários da própria fusão, mas através de interacções entre neutrões de alta energia e as paredes do reactor.

A proposta abre um caminho teórico plausível para algo que antes se considerava inviável e representa um passo animador para futuras pesquisas experimentais.

Matéria escura: o enigma cosmológico por detrás do “sector escuro”

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 demasiado baixa para explicar a gravidade que medimos. Existe algo que ainda não identificámos que mantém o Universo ligado por uma vasta teia gravitacional, sem emitir nem absorver luz detectável e quase sem interagir com o restante - para lá da gravidade.

A esse “algo” chamamos matéria escura. Segundo os cálculos dos cientistas, a matéria normal representa apenas cerca de 16 percent da matéria do Universo, ficando os restantes 84 percent atribuídos à matéria escura.

Há muitos candidatos teóricos para a sua identidade, desde buracos negros microscópicos a partículas massivas de interacção fraca, passando por partículas ultraleves - incluindo os áxions, um dos candidatos mais fortes.

Áxions, fusão estelar e o problema do fluxo demasiado baixo

A ideia de que áxions ou partículas do tipo áxion podem surgir na fusão estelar não é nova; já foram sugeridos vários mecanismos. Por isso, é razoável supor que os áxions também possam aparecer num reactor de fusão.

No entanto, existe um obstáculo grande e praticamente fatal: a quantidade de áxions esperada de uma estrela - quanto mais de um reactor muito menor - é, de longe, insuficiente para ser detectada.

"Depois de concluirmos este trabalho, apercebemo-nos de que uma ideia semelhante, sobre a produção de áxions em instalações de fusão, foi discutida nos episódios SE501-SE503 da série de comédia A Teoria do Big Bang", 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 resulta num fluxo de áxions suficientemente elevado."

Reactores de fusão e “manto reprodutor”: outra via para produzir áxions

Em vez de se concentrarem no plasma, Zupan e a sua equipa exploraram um caminho diferente: a absorção de um enorme fluxo de neutrões de alta energia pelo lítio presente no manto reprodutor de um reactor de fusão deutério–trítio.

O mecanismo é o seguinte. Neste tipo de reactor, o manto reprodutor é uma camada espessa, rica em lítio, que envolve o vaso de vácuo no núcleo do reactor. O seu papel é duplo. À medida que o plasma circula, gera um fluxo muito intenso de neutrões altamente energéticos. Esses neutrões embatem no manto, ajudando a converter a energia cinética que transportam em calor, que depois pode ser aproveitado para produzir electricidade.

Em simultâneo, os neutrões são capturados por núcleos de lítio, que acabam por se fragmentar em hélio e trítio. Esse trítio pode, por sua vez, ser usado pelo reactor como combustível adicional. Chama-se manto reprodutor porque “reproduz” trítio - um processo particularmente engenhoso.

Os investigadores concluíram que as interacções com o manto reprodutor e com as paredes do reactor poderão originar outras partículas para além das esperadas.

A análise matemática indica que áxions, ou partículas do tipo áxion, também podem surgir em interacções de captura de neutrões, ou através da libertação de energia quando o neutrão desacelera após se dispersar noutra partícula - um fenómeno conhecido como bremsstrahlung de neutrões.

Fluxo teórico de partículas e implicações para as buscas por matéria escura

De acordo com os autores, o fluxo teórico de partículas do tipo áxion gerado por estes processos é bastante superior ao fluxo associado directamente à fusão e poderá até atingir níveis detectáveis fora das paredes do reactor. Este trabalho propõe, assim, uma nova perspectiva para procurar respostas aos mistérios da matéria escura.

"O Sol é um objecto enorme que produz muita energia. A probabilidade de surgirem novas partículas a partir do Sol, que depois viajariam até à Terra, é maior do que a de serem produzidas em reactores de fusão usando os mesmos processos que no Sol", afirma Zupan.

"No entanto, ainda assim é possível produzi-las em reactores, recorrendo a um conjunto diferente de processos."

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