Οι αντιδραστήρες σύντηξης μπορεί να είναι το κλειδί για την ανακάλυψη σωματιδίων σκοτεινής ύλης

Η πυρηνική σύντηξη παρουσιάζεται εδώ και χρόνια ως η τεχνολογία-κλειδί για καθαρή και σχεδόν ανεξάντλητη ενέργεια. Μια νέα θεωρητική μελέτη, ωστόσο, προτείνει έναν εντελώς διαφορετικό ρόλο για τους μελλοντικούς αντιδραστήρες: να λειτουργήσουν ως εργαστήρια αιχμής για την αναζήτηση άγνωστων σωματιδίων, ακόμη και της ίδιας της σκοτεινής ύλης.

Ο καθηγητής Φυσικής του Πανεπιστημίου του Σινσινάτι, Jure Zupan, σε συνεργασία με θεωρητικούς επιστήμονες από το Fermi National Laboratory, το MIT και το Technion του Ισραήλ, υποστηρίζει ότι οι αντιδραστήρες σύντηξης μπορούν να αποτελέσουν εξαιρετικά ισχυρά «εργαλεία» για την ανακάλυψη νέας φυσικής, πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο.

Γιατί όχι μόνο ο Ήλιος και οι αντιδραστήρες σχάσης

Μέχρι σήμερα, οι περισσότερες έρευνες για ελαφρά, ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια –υποψήφια για σκοτεινή ύλη– εστιάζουν στον Ήλιο ή στους πυρηνικούς αντιδραστήρες σχάσης. Αυτά τα περιβάλλοντα έχουν ήδη θέσει αυστηρούς περιορισμούς σε πολλές θεωρίες. Οι αντιδραστήρες σύντηξης, αντίθετα, έχουν μείνει σχεδόν εκτός κάδρου. Σύμφωνα με τους συγγραφείς της μελέτης, αυτό δεν οφείλεται σε κάποιο φυσικό εμπόδιο, αλλά περισσότερο σε επιστημονική «συνήθεια».

Η εργασία εξετάζει τη σύντηξη δευτερίου–τριτίου, τη βασική αντίδραση που σχεδιάζεται για τους αντιδραστήρες επόμενης γενιάς. Κάθε τέτοια σύντηξη απελευθερώνει 17,6 εκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ ενέργειας. Περίπου 3,5 MeV παραμένουν στο πλάσμα ως πυρήνας ηλίου, διατηρώντας τη διαδικασία, ενώ τα υπόλοιπα 14,1 MeV μεταφέρονται από ένα ταχύ νετρόνιο που «δραπετεύει» προς τα τοιχώματα του αντιδραστήρα.

Το πλεονέκτημα των νετρονίων

Αυτά τα νετρόνια είναι το κλειδί. Σε έναν αντιδραστήρα σύντηξης ισχύος περίπου 2.000 μεγαβάτ, η ροή νετρονίων κοντά στο εσωτερικό τοίχωμα μπορεί να φτάσει τα 10¹⁵ νετρόνια ανά τετραγωνικό εκατοστό το δευτερόλεπτο. Πρόκειται για πυκνότητα περίπου 100 φορές μεγαλύτερη από εκείνη ενός αντίστοιχου αντιδραστήρα σχάσης. Με τόσα πολλά ενεργητικά νετρόνια, ακόμη και εξαιρετικά σπάνιες διεργασίες μπορούν, θεωρητικά, να γίνουν ανιχνεύσιμες.

Αξιόνια, σκάλια και νέα σωματίδια

Για να κρατήσουν τη συζήτηση σε στέρεο έδαφος, οι ερευνητές επικεντρώνονται σε δύο υποθετικά σωματίδια μηδενικού σπιν. Το πρώτο είναι ένα ελαφρύ βαθμωτό σωματίδιο, που συμβολίζεται με ϕ. Το δεύτερο είναι ένα ελαφρύ ψευδοβαθμωτό σωματίδιο, γνωστό ως αξιόνιο ή αξιόνιο-όμοιο σωματίδιο (ALP). Και τα δύο αλληλεπιδρούν εξαιρετικά ασθενώς με τη συνηθισμένη ύλη και θεωρούνται εδώ και χρόνια ισχυροί υποψήφιοι για νέα φυσική. Τα αξιόνια, ειδικότερα, συγκαταλέγονται στους βασικούς υποψήφιους για τη σκοτεινή ύλη.

Η μελέτη εξετάζει μάζες σωματιδίων σε ένα εύρος όπου επιτρέπεται η διάσπαση σε ζεύγη ηλεκτρονίου–ποζιτρονίου, αλλά όχι σε βαρύτερα σωματίδια. Σε αυτό το «παράθυρο», οι διασπάσεις είναι αργές. Ένα σωματίδιο μάζας 10 MeV, με πολύ μικρή σύζευξη με τα ηλεκτρόνια, θα μπορούσε να ταξιδέψει χιλιόμετρα πριν διασπαστεί, πολύ πέρα από τα τοιχώματα του αντιδραστήρα.

Όταν τα τοιχώματα γίνονται πηγή σωματιδίων

Η βασική ιδέα είναι απλή: όταν τα νετρόνια της σύντηξης χτυπούν τα υλικά του τοιχώματος, μπορούν να δημιουργήσουν αυτά τα «κρυφά» σωματίδια. Οι αντιδραστήρες συνήθως διαθέτουν «κουβέρτες» αναπαραγωγής καυσίμου από λίθιο, καθώς και χαλύβδινες δομές στήριξης. Τα νετρόνια αλληλεπιδρούν έντονα τόσο με το λίθιο όσο και με τον σίδηρο.

«Όταν ένα νετρόνιο συλλαμβάνεται από έναν πυρήνα, ο πυρήνας διεγείρεται και στη συνέχεια χαλαρώνει. Συνήθως εκπέμπει μια ακτίνα γάμμα. Αν όμως υπάρχει νέα φυσική, μερικές φορές μπορεί να εκπέμψει ένα ελαφρύ βαθμωτό σωματίδιο ή ένα αξιόνιο», εξηγεί ο καθηγητής Zupan. «Τα νετρόνια μπορούν επίσης να σκεδαστούν και να χάσουν ενέργεια, εκπέμποντας νέα σωματίδια μέσω ακτινοβολίας πέδησης».

Για τα αξιόνια, οι υπολογισμοί βασίζονται σε καλά μελετημένες πυρηνικές μεταβάσεις και σε πειραματικά δεδομένα σύλληψης νετρονίων. Για τα βαθμωτά σωματίδια, οι εκτιμήσεις είναι πιο αβέβαιες και στηρίζονται σε προσεγγίσεις τάξης μεγέθους, με τους ίδιους τους συγγραφείς να αναγνωρίζουν τα μεγάλα περιθώρια αβεβαιότητας.

Ανίχνευση έξω από τον αντιδραστήρα

Η παραγωγή από μόνη της δεν αρκεί. Τα σωματίδια πρέπει και να ανιχνευθούν. Η πρόταση περιλαμβάνει έναν ανιχνευτή βαρέος ύδατος, παρόμοιο με το ιστορικό παρατηρητήριο νετρίνων Sudbury. Ένας τέτοιος ανιχνευτής, μάζας περίπου 1.000 τόνων, θα περιείχε περίπου 6 × 10³¹ πυρήνες δευτερίου.

Όταν ένα αξιόνιο ή βαθμωτό σωματίδιο φτάσει εκεί, μπορεί να διασπάσει έναν πυρήνα δευτερίου σε πρωτόνιο και νετρόνιο, μια διαδικασία που απαιτεί τουλάχιστον 2,2 MeV ενέργειας. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς, η τοποθέτηση του ανιχνευτή σε απόσταση περίπου 10 μέτρων από έναν αντιδραστήρα σύντηξης 2.000 MW και η λειτουργία του για έναν χρόνο θα μπορούσαν να δώσουν μετρήσιμα σήματα.

Το βασικό «θόρυβο» θα προκαλούσαν τα ηλιακά νετρίνα, με περίπου 4.800 παρόμοια γεγονότα τον χρόνο. Ωστόσο, με σύγκριση περιόδων λειτουργίας και παύσης του αντιδραστήρα και με αξιοποίηση της κατεύθυνσης του Ήλιου, το υπόβαθρο αυτό θα μπορούσε να υπολογιστεί και να αφαιρεθεί.

Διπλός ρόλος για την τεχνολογία του μέλλοντος

Αν οι αντιδραστήρες σύντηξης μπορούν να λειτουργήσουν και ως εργαστήρια σωματιδιακής φυσικής, ανοίγεται ένας νέος δρόμος για την αναζήτηση της σκοτεινής ύλης, συμπληρωματικός προς τα υπάρχοντα πειράματα και χωρίς την ανάγκη κατασκευής εξ ολοκλήρου νέων εγκαταστάσεων.

Καθώς οι πρώτοι εμπορικοί αντιδραστήρες σύντηξης πλησιάζουν στην πραγματικότητα, η προσθήκη ανιχνευτών θα μπορούσε να πολλαπλασιάσει την επιστημονική τους αξία. Μακροπρόθεσμα, αυτή η στρατηγική ίσως συμβάλει όχι μόνο στην κατανόηση της σκοτεινής ύλης και των θεμελιωδών δυνάμεων της φύσης, αλλά και στην πρόοδο της καθαρής ενέργειας.

*Τα αποτελέσματα της έρευνας είναι διαθέσιμα online στο Journal of High Energy Physics.