Fuzijski reaktori mogu stvarati čestice tamne tvari u svojim zidovima
Fuzijski reaktori dizajnirani su za proizvodnju čiste energije, ali nova teorija sugerira da bi mogli proizvoditi i jednu od najeluzivnijih čestica u fizici. Prijedlog američkih istraživača tvrdi da veliki fuzijski pogoni nenamjerno mogu stvarati aksione – hipotetičke čestice koje bi mogle sačinjavati tamnu tvar. Ključna je spoznaja da aksioni ne dolaze iz super-vruće plazme gdje se odvija fuzija, već iz same konstrukcije reaktora.
Neutroni stvaraju nove čestice
Prema novom istraživanju, brzi neutroni oslobođeni tijekom fuzijskih reakcija udaraju u okolne metale i litij. To pokreće rijetke nuklearne procese koji bi mogli emitirati aksione sposobne za bijeg iz reaktora i dostizanje obližnjih detektora. Rad je vodio profesor Jure Zupan na Sveučilištu u Cincinnatiju (UC) u Ohiu. Njegovo istraživanje prati moguće čestice tamne tvari i tretira hardver reaktora kao novi izvor aksiona.
Tamna tvar ostaje neviđena
Tamna tvar se otkriva kroz gravitaciju: galaksije rotiraju mnogo brže nego što bi privlačnost vidljivih zvijezda i plina mogla objasniti. Najbolja mjerenja pokazuju da tamna tvar čini otprilike 84,4% sveukupne tvari u univerzumu, dominirajući kozmičkim masovnim proračunom. Da aksioni sačinjavaju tu nevidljivu masu, njihovo stvaranje u blizini reaktora moglo bi ograničiti koje teorijske modele vrijedi.
Aksione je teško detektirati
Aksioni bi prošli kroz većinu materijala jer se slabo interaktiraju s poznatim česticama i silama. Potrage se često oslanjaju na rijetke konverzije u svjetlost ili elektrone, što znači da i veliki detektori mogu čekati godinama. Jasni signal bi još uvijek trebalo potvrditi, jer mnogi modeli predviđaju povezane čestice koje ne bi sačinjavale tamnu tvar.
Fuzijski reaktori oslobađaju brze neutron
U uobičajenoj mješavini fuzijskog goriva, jezgra helija ostaje zarobljena dok neutron leti iz plazme. Taj bježni neutron nosi većinu energije reakcije, pa okolne strukture moraju apsorbirati stalan udar. Ovisi se o ovom konstantnom bombardiranju jer ono stvara rijetke reakcije koje su bitne.
Zašto se mora uzgajati tricij
Tricij, radioaktivni vodik s dva neutrona, je rijedak u prirodi, pa planirani reaktori planiraju proizvoditi ga tijekom rada. Poluraspod od 12 godina i konstantna potrošnja goriva guraju dizajnere da uzgajaju tricij puštajući neutroni udaraju u litij. Ti isti udari neutrona također mogu probuditi jezgra, stvarajući šansu za otpuštanje nove čestice svjetlosti.
Otpuštanje čestica iz zidova
Hvatanje neutrona može ostaviti jezgro u materijalima zidova reaktora, u litiju ili čeliku, u pobuđenom stanju s viškom energije koji se mora osloboditi. Nuklearna tranzicija, kada pobuđeno jezdro spusti energiju emisijom, mogla bi poslati aksion ili drugu česticu svjetlosti. Budući da čestica jedva reagira, može proći kroz zaštitu i pojaviti se upravo izvan posude reaktora.
Učinci usporavanja neutrona
Neutroni koji ne budu uhvaćeni još uvijek mogu raspršiti, gubeći energiju u mnogim manjim sudarima unutar okolnih struktura. Kada se nabijena čestica usporava, emitira kočno zračenje, oslobađajući energiju koja može dati novim česticama. Prijedlog tretira ovo kao drugi kanal proizvodnje, iako je bitno kada neutroni zadrže dovoljno energije.
Čestice dosežu detektore
Prijedlog se oslanja na to da ove čestice putuju desetke metara od jezgre reaktora, dovoljno daleko da dosegnu detektore postavljene izvan strukture reaktora. Detektor smješten 10 metara udaljen mogao bi tražiti interakcije koje normalni neutroni i gamma zrake rijetko oponašaju. Udaljenost je bitna jer se brzina brzo širi, pa eksperimenti trebaju ili velike reaktore, velike detektore, ili oboje.
Detektor teške vode
Koncept detekcije koristi veliki spremnik teške vode – napravljene s deuterijem umjesto običnog vodika – u blizini fuzijskog objekta. Kada aksion udari u jezgro deuterija, može razdvojiti par u slobodni proton i neutron. To razdvajanje ostavlja jasan potpis, budući da se odlazni neutron može prebrojati i proton može pratiti.
Signal fuzijskog reaktora naspram šuma
Pravi test bi usporedio stope detekcije kada reaktor radi sa stopama kada je ugašen. Najveći pozadinski šum dolazi od solarnih neutrina, sitnih čestica napravljenih u suncu, koje također razdvajaju deuterij, pa je vremensko usklađivanje važno. Čak i sa šumom, prijedlog bi mogao isključiti velike dijelove parametara ako se ne pojavi višak.
Od popularne kulture do fizike
U petoj sezoni The Big Bang Theory, nekoliko epizoda je smjestilo zagonetku aksiona na ploče za pisanje, bez da je dijalog objasnio. “Neutroni interaktiraju s materijalom u zidovima”, rekao je profesor Zupan. Matematika emisije zasnovana na suncu propušta reakcije u zidovima, i upravo je tu prijedlog našao svoju prednost.
Ograničenja teorije
Neke procjene proizvodnje oslanjaju se na brza skaliranja, jer točne nuklearne reakcije u materijalima zidova nisu u potpunosti kartirane. Bolje simulacije specifične za reaktor bi pratile gdje se neutroni usporavaju i koje vrste atoma udaraju, koristeći izmjerene vjerojatnosti reakcija. Dok se ti ulazi ne poboljšaju, prijedlog može skicirati obećavajući doseg, ali ne može jamčiti stopu otkrivanja u bilo kojem pojedinačnom objektu.
Budućnost fuzijskih reaktora
Međunarodni termonuklearni eksperimentalni reaktor (ITER) u južnoj Francuskoj pokazuje razmjere strojeva koji se sada grade. ITER će testirati ključne tehnologije poput uzgoja tricija, a kasniji pogoni će moći raditi dulje i proizvoditi više neutrona. Inženjeri ako mogu rezervirati obližnji prostor za detektore, objekti klase ITER mogli bi postati i laboratoriji za čestice bez promjene njihove misije energije.
Bogati obloge neutronima fuzije mogle bi postati kontrolirani izvori za testiranje jednog kandidata za tamnu tvar izravno.
