Reactores de fusão podem abrir uma via inesperada para procurar **matéria escura**

Os reactores concebidos para gerar energia a partir da fusão de átomos podem trazer um benefício científico imprevisto.

Uma equipa internacional de investigadores demonstrou que partículas leves do chamado sector escuro - como o hipotético axião - poderão ser geradas em instalações de fusão. A novidade é que não surgiriam como subprodutos directos do processo de fusão, mas sim através de interacções entre neutrões de alta energia e as paredes do reactor.

A proposta transforma uma ideia antes tida como impraticável numa rota teórica plausível e num passo encorajador para futuras campanhas de procura experimental.

Matéria escura: o grande enigma gravitacional do Cosmos

A matéria escura é um dos maiores pontos de interrogação da cosmologia moderna: 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 em escalas galácticas e cosmológicas. Parece existir algo ainda não identificado que mantém o Universo ligado numa vasta teia gravitacional, sem emitir nem absorver luz detectável e com interacções muito fracas com o resto, para lá da gravidade.

É a esse “algo” que chamamos matéria escura. As estimativas indicam que a matéria comum representa apenas cerca de 16% da matéria total do Universo, ficando os restantes 84% atribuídos à matéria escura.

Entre os muitos candidatos teóricos propostos contam-se desde buracos negros microscópicos a partículas massivas que interagem fracamente, passando por partículas ultra-leves - grupo no qual se inclui o axião, um dos favoritos.

O axião e as limitações da fusão “à semelhança das estrelas”

A possibilidade de os axiões (ou partículas tipo axião) poderem ser produzidos em fusão estelar não é recente: foram sugeridos vários mecanismos ao longo do tempo. Por extensão, pareceria lógico que um reactor de fusão também pudesse originar axiões.

O problema é um obstáculo sério: mesmo no caso de uma estrela, a quantidade prevista é demasiado pequena para ser detectada; num reactor - muito menor - seria ainda mais difícil.

Num artigo recente, uma equipa liderada pelo físico Jure Zupan, da Universidade de Cincinnati, refere que, após concluir o trabalho, tomou conhecimento de que uma ideia semelhante (produção de axiões em instalações de fusão) foi discutida nos episódios SE501–SE503 da série de comédia A Teoria do Big Bang.

Segundo os autores, as personagens Sheldon Cooper e Leonard Hofstadter consideraram a produção de axiões no plasma - mas esse caminho, infelizmente, não gera um fluxo de axiões suficientemente elevado.

Reactores de fusão, neutrões e a manta de reprodução de lítio (axião)

Em vez de se concentrarem no plasma, Zupan e os seus colaboradores analisaram um cenário alternativo: a absorção do enorme fluxo de neutrões de alta energia por lítio na manta de reprodução de um reactor de fusão deutério–trítio.

O funcionamento, em linhas gerais, é este. Num reactor deste tipo, a manta de reprodução é uma camada espessa de material rico em lítio que envolve o vaso de vácuo junto ao núcleo do reactor. A sua função é dupla:

• À medida que o plasma circula, produz um fluxo muito intenso de neutrões altamente energéticos. Esses neutrões embatem na manta, ajudando a converter a sua energia cinética em calor aproveitável para produção de energia.
• Em simultâneo, alguns neutrões são capturados por núcleos de lítio, que depois se fragmentam, originando hélio e trítio. Esse trítio pode ser reutilizado como combustível, permitindo ao reactor alimentar-se continuamente. Daí o nome “manta de reprodução”: porque “reproduz” trítio.

A equipa concluiu que as interacções associadas à manta de reprodução - e também às paredes do reactor - podem originar outras partículas além das desejadas para a operação energética.

Como podem surgir partículas tipo axião: captura de neutrões e bremsstrahlung

A análise matemática apresentada indica que axiões ou partículas tipo axião poderão emergir em dois tipos de processos:

• Interacções de captura de neutrões, nas quais a captura por um núcleo pode dar origem a emissões adicionais.
• Libertação de energia quando um neutrão abranda após se dispersar noutra partícula, fenómeno conhecido como bremsstrahlung de neutrões.

De acordo com os autores, o fluxo teórico de partículas tipo axião gerado por estas vias é substancialmente superior ao fluxo que se esperaria da fusão em si. Em certos cenários, poderá até atingir valores que, em princípio, se tornem detectáveis fora das paredes do reactor - abrindo uma nova perspectiva para abordar os mistérios da matéria escura.

Porque o Sol continua a ser “mais provável” - e porque o reactor pode ganhar por outro caminho

Como sublinha Zupan, o Sol é um objecto enorme e extremamente potente. Assim, a probabilidade de produzir novas partículas que viajem até à Terra, quando se consideram os mesmos processos relevantes no interior solar, é maior do que num reactor de fusão.

Ainda assim, acrescenta o investigador, é possível produzi-las em reactores recorrendo a um conjunto diferente de processos - precisamente os associados ao bombardeamento de neutrões e às interacções com materiais como o lítio e as estruturas do reactor.

Implicações experimentais e desafios práticos (perspectiva adicional)

Se este mecanismo se confirmar como viável, uma consequência natural será pensar em estratégias de detecção nas imediações de instalações de fusão. Isso implicaria avaliar, com grande rigor, como o blindagem radiológica, a geometria do reactor e os materiais da manta influenciam o sinal esperado e o fundo (ruído) produzido por neutrões e radiação gama.

Outra vertente importante é a complementaridade com programas de procura de axiões noutros contextos (astrofísica, laboratórios subterrâneos e experiências dedicadas). Um sinal associado a reactores de fusão poderia fornecer um cenário controlado - com parâmetros operacionais conhecidos - para testar modelos de partículas tipo axião e restringir, de forma independente, o espaço de possibilidades para a matéria escura.

Publicação

A investigação foi publicada na Revista de Física de Altas Energias (JHEP).