Термоядерні реактори можуть стати заводами темної матерії

Термоядерні реактори будуються для того, щоб давати чисту енергію. Але група фізиків виявила, що ці гігантські машини можуть робити щось ще — попутно виробляти частинки, які вчені безуспішно шукають уже кілька десятиліть. Йдеться про аксіони: гіпотетичні надлегкі частинки, що є одними з головних кандидатів на роль темної матерії Всесвіту. Дослідження команди під керівництвом Юре Зупана з Університету Цинциннаті опубліковане в Journal of High Energy Physics і отримало широку увагу наукових медіа, зокрема ScienceDaily.

Що відомо коротко:

• Аксіони можна виробляти не в плазмі реактора, а в його стінках — через взаємодію нейтронів із літієм та залізом
• Передбачуваний потік аксіонів із цих реакцій значно вищий, ніж із зоряного синтезу, і може досягати детектабельних рівнів
• Детектор — бак важкої води в 10 метрах від реактора — може зафіксувати характерний підпис аксіона
• Дослідження залишається теоретичним; реальна перевірка можлива лише після запуску реакторів наступного покоління
• Зупан і колеги вирішили задачу, яку в серіалі «Теорія великого вибуху» не змогли вирішити Шелдон Купер і Леонард Гофстедтер

Що таке аксіон і чому його так важко знайти

Аксіон — гіпотетична частинка, запропонована 1977 року фізиками Пеккеї і Квінн для вирішення проблеми сильної взаємодії в квантовій хромодинаміці. Згодом виявилося, що аксіони також є ідеальним кандидатом на роль темної матерії: вони мають надмалу масу, практично не взаємодіють із звичайною речовиною і невидимі для будь-яких детекторів електромагнітного випромінювання.

Темна матерія становить, за оцінками, понад 84% маси речовини у Всесвіті. Ми знаємо про її існування лише з гравітаційних ефектів: галактики обертаються значно швидше, ніж дозволяла б маса видимої речовини. Темна матерія оточує нашу галактику у вигляді гало, але її природа досі невідома. Аксіон — один із найпривабливіших теоретичних відповідей на це питання.

Деталі відкриття

Попередні спроби виявити аксіони в термоядерних установках виходили з ідеї, що ці частинки народжуватимуться в плазмі — так само, як вони народжуються в зорях. Зупан і його команда показали, чому цей підхід приречений на провал: «Сонце — величезний об’єкт, що виробляє колосальну потужність. Ймовірність того, що нові частинки виникнуть у Сонці і долинуть до Землі, вища, ніж ймовірність їхнього утворення в реакторі тими самими процесами», — пояснив Зупан.

Але реактори мають перевагу в зовсім іншій точці — у своїх стінках. Реактор типу дейтерій-тритій, зокрема будований зараз у Франції ITER, генерує величезний потік нейтронів. Ці нейтрони бомбардують стінки, викладені літієм та залізом. Тут можливі два механізми народження аксіонів: по-перше, ядерні переходи при захопленні нейтрону збудженим ядром можуть випромінити аксіон замість гамма-фотона; по-друге, нейтрони, що уповільнюються при розсіянні, виділяють енергію у вигляді «гальмівного випромінювання» — і ця енергія теж може породжувати аксіони. Теоретичний потік частинок із цих двох каналів значно перевищує плазмовий.

Що показали нові спостереження

Особливість аксіонів — вони буквально пронизують будь-яку матерію, не затримуючись у стінках. Це кошмар для детекторів, але й ключ до рішення: частинка, що пройшла крізь усі шари захисту, досягне детектора зовні. Команда запропонує встановити бак важкої води на відстані близько 10 метрів від реактора. Якщо аксіон взаємодіє з ядром дейтерію, він може розщепити його на вільний протон і нейтрон — і цей характерний підпис можна зафіксувати. Порівнюючи показники детектора при працюючому та зупиненому реакторі, можна відокремити реальний сигнал від фону.

Тут важливо додати: зірки на кшталт нашого Сонця теж виробляють аксіони у надрах, де відбуваються ядерні реакції. Але відстань і масштаб роблять реєстрацію цих аксіонів на Землі принципово важчою, ніж з компактного наземного реактора з відомим режимом роботи.

Чому це важливо для науки

Якщо аксіони існують, їхнє виявлення в реакторі стане подією масштабу відкриття бозона Гіггса у 2012 році. Але навіть якщо спостереження дадуть нульовий результат, це цінно: воно дозволить виключити цілі діапазони параметрів теоретичних моделей аксіонів. Подвійна роль майбутніх реакторів — генератор енергії і детектор темної матерії — може виявитися ключовим аргументом для фінансування таких установок у часи, коли кожна наукова інфраструктура має виправдовувати свою вартість.

Зупан підкреслив, що дослідження залишається теоретичним — реальні ядерні параметри реакцій у матеріалах реакторних стінок ще потребують детального вимірювання. Це завдання для майбутніх ядерних фізиків, які працюватимуть поруч із ITER та його наступниками.

Цікаві факти

🔭 У серіалі «Теорія великого вибуху» в п’ятому сезоні на дошках у квартирі Шелдона і Леонарда були написані формули, що описують генерацію аксіонів у термоядерних реакторах — але персонажі ніколи не обговорювали їх вголос. Це «пасхалка» для фізиків. Зупан помітив ці рівняння і визнав, що герої серіалу бачили проблему, але не знайшли виходу — оскільки зупинилися на плазмовому каналі і отримали від’ємний результат.

⚛️ ITER — найдорожчий науковий проект в історії людства після МКС: його вартість перевищує 22 мільярди євро. Реактор будується консорціумом 35 країн у Кадараші, на півдні Франції. Якщо до його стінок додати детектори аксіонів, ITER може одночасно вирішувати дві з найважливіших проблем фізики XXI століття — чиста енергія і природа темної матерії.

🌌 Аксіон як концепція народився не з астрофізики, а з теорії сильної взаємодії. Фізики Роберто Пеккеї та Хелен Квінн запропонували його 1977 року, щоб пояснити, чому сильна взаємодія не порушує CP-симетрію. Те, що така «виправдальна» частинка виявилась іще й ідеальним кандидатом на темну матерію — приклад того, як вирішення однієї проблеми в фізиці несподівано розкриває ключ до іншої.

FAQ

Чому аксіони так важко виявити? Аксіони взаємодіють із звичайною матерією надзвичайно слабко — у рази слабше, ніж нейтрино. Вони проходять крізь Землю, крізь стіни реактора і крізь детектори, практично не лишаючи слідів. Для їхнього виявлення потрібні або надчутливі детектори в глибоких підземних лабораторіях, або великий потік частинок — якраз те, що може дати термоядерний реактор.

Як реактор ITER пов’язаний із цим дослідженням? ITER — дейтерій-тритієвий реактор із літієвим покриттям стінок, що будується у Франції міжнародним консорціумом. Саме така конфігурація є центральною у пропозиції Зупана: велика кількість нейтронів і специфічний склад стінок роблять ITER теоретично оптимальним місцем для генерації аксіонів. Хоча сам ITER ще не запущено, результати дослідження готують підґрунтя для майбутніх детекторних установок.

Чи означає це, що темна матерія «виробляється» реактором? Ні в буквальному сенсі. Якщо аксіони — компонент темної матерії, вони вже пронизують Всесвіт у колосальних кількостях. Реактор лише надасть можливість виробити їх у контрольованих умовах у достатній кількості, щоб хоча б один аксіон із мільярдів взаємодіяв із атомами детектора і залишив реєстрований слід.