Токамак WEST
© CEA IRFM by Christophe Roux is licensed under CC-BY-4.0
Термоядерные реакторы могут участвовать в процессе создания аксионы — JHEP
Термоядерный синтез, считающийся источником энергии будущего, может преподнести научному миру еще один сюрприз. Исследователи выдвинули теорию, согласно которой промышленные термоядерные установки способны генерировать не только чистую энергию, но и одни из самых загадочных частиц во Вселенной. Речь идет об аксионах — гипотетических частицах, которые, возможно, составляют основу невидимой темной материи. Об этом сообщает Earth.com со ссылкой на работу профессора Юре Зупана из Университета Цинциннати.
Неожиданный источник загадочных частиц
Согласно новой гипотезе, аксионы будут рождаться не в сердце реактора, где происходит синтез, а в его конструкционных элементах. Во время реакции термоядерного синтеза, например, слияния ядер дейтерия и трития, высвобождается огромное количество быстрых нейтронов. Эти нейтроны покидают плазму и с высокой энергией бомбардируют стенки реактора, а также материалы, содержащие литий, которые используются для воспроизводства топлива (трития).
"Нейтроны взаимодействуют с материалом в стенах", — поясняет профессор Юре Зупан.
Именно это взаимодействие, а не процессы в плазме, и становится ключевым для новой теории. В момент столкновения нейтрона с атомным ядром в материале стенки может произойти редкое ядерное событие. Возбужденное ядро, избавляясь от избыточной энергии, способно испустить аксион. Поскольку эта частица крайне слабо взаимодействует с обычным веществом, она практически беспрепятственно покинет корпус установки, что открывает возможность для ее детектирования снаружи.
Поиск невидимой массы Вселенной
Темная материя остается одной из величайших загадок современной космологии. Она не испускает, не поглощает и не отражает свет, что делает ее прямое наблюдение невозможным. Ее существование доказывается гравитационным влиянием на видимые объекты: например, галактики вращаются с такой скоростью, которую нельзя объяснить притяжением только видимых звезд и газа. На темную материю, согласно расчетам, приходится подавляющая часть материального содержания нашей Вселенной.
Аксионы являются одним из главных кандидатов на роль частиц, из которых состоит эта невидимая масса. Их обнаружение стало бы революцией в физике. Однако поиски аксионов чрезвычайно сложны из-за их "призрачной" природы — они проходят сквозь большинство материалов, практически не оставляя следа. Традиционные эксперименты требуют годы ожидания для регистрации хоть какого-либо сигнала. Производство аксионов вблизи мощных термоядерных реакторов могло бы создать контролируемый и интенсивный поток этих частиц, что значительно повысило бы шансы на их обнаружение и позволило бы проверить различные теоретические модели.
Концепция эксперимента и его перспективы
Авторы исследования предлагают разместить детектор частиц на некотором расстоянии от активной зоны работающего термоядерного реактора. Для обнаружения аксионов может использоваться, например, большой резервуар с тяжелой водой, где ядра дейтерия служат мишенью. Столкнувшись с аксионом, ядро дейтерия может расщепиться на протон и нейтрон, оставив четкую регистрируемую подпись.
Критически важным для успеха эксперимента является сравнение показаний детектора, когда реактор работает и когда он заглушен. Это позволит выделить полезный сигнал на фоне естественных помех, главным из которых являются нейтрино, приходящие от Солнца. Даже если явного избытка событий не будет обнаружено, такой эксперимент позволит исключить целые классы теоретических моделей, сузив область поисков темной материи. Если инженеры смогут зарезервировать близлежащее пространство для детекторов, объекты класса ITER могут удвоиться в качестве лабораторий частиц, не меняя свою энергетическую миссию.
Практическая реализация этой идеи выглядит наиболее перспективной на крупнейших экспериментальных установках, таких как строящийся во Франции международный термоядерный реактор ITER. Подобные машины будут генерировать рекордные потоки нейтронов в течение длительного времени. Если в их проект изначально заложить возможность размещения физических детекторов, то энергетические установки будущего смогут параллельно служить и уникальными инструментами для фундаментальных открытий.
Таким образом, термоядерный синтез потенциально способен решить не только энергетические, но и глубочайшие космологические проблемы человечества. Для проверки смелой теории потребуются точное моделирование нейтронных потоков в конкретных конструкциях реакторов и разработка специализированных детекторов. Если гипотеза подтвердится, управляемый термоядерный синтез откроет новую главу не только в энергетике, но и в понимании фундаментального устройства нашей Вселенной.