Как термоядрените реактори ще помогнат за откриването на тъмната материя: нова теория на учените

През октомври 2025 г. в научното списание JHEP бе публикувано изследване на група физици от Технион, Масачузетския технологичен институт и Университета в Синсинати. Авторите на работата предлагат бъдещите реактори за термоядрен синтез да се използват не само за производство на електроенергия, но и за фундаментални изследвания. Според техните изчисления инсталациите от класовете ITER и DEMO могат да се превърнат в ефективни фабрики за производство на хипотетични частици, които излизат извън рамките на настоящата физика.

Обикновено термоядреният синтез се разглежда единствено като инженерен проблем: как да се ограничи плазмата, как да се отстрани топлината и как да се осигурят енергийни ползи. Нов теоретичен модел обаче показва, че процесите вътре в реактора създават уникални условия за проверка на хипотези за структурата на материята. Става въпрос за търсенето на така наречените частици от „тъмния сектор“ – кандидати за тъмна материя, които взаимодействат изключително слабо с обикновената материя.

Някои от характеристиките на термоядрения процес

Бъдещите електроцентрали се базират на реакцията на термоядрения синтез на два изотопа на водорода – деутерий и тритий. В резултат на този синтез се образува хелиево ядро и се освобождава неутрон.

Ключовият параметър тук е енергията на този неутрон. Конвенционалните ядрени електроцентрали (реактори на базата на делене) произвеждат неутрони с енергия около 2 MeV (мегаелектронволта). В реактора за термоядрен синтез неутроните са много по-енергични – те носят 14,1 MeV.

Тези бързи неутрони напускат зоната на реакцията и навлизат във вътрешната облицовка на реактора, която жаргонно се нарича бланкет. Това е сложен технологичен компонент, съдържащ литий. Основната му функция е да улавя неутроните и в хода на ядрената реакция да произвежда нов тритий от лития, за да поддържа работата на реактора.

Именно в този момент – когато бърз неутрон се сблъска с материала на обвивката – е възможно да се получи нова физика

Механизмът за зараждането на новите частици

Когато високоенергиен неутрон се блъсне в литиево ядро (или в желязото, от което са изградени структурите), той привежда ядрото във възбудено състояние. При стандартния сценарий ядрото бързо се връща в нормално състояние, като излъчва допълнителна енергия под формата на гама-квант (фотон).

Авторите на изследването са изчислили, че съществува ненулева вероятност за различен изход. Вместо обичайния фотон възбуденото ядро може да излъчи частица от „тъмния сектор“ – лек скалар или аксион.

Съществуването на такива частици е теоретично прогнозирано, но те все още не са експериментално открити. Основната им характеристика е, че те практически не взаимодействат с обикновената материя. Ако обикновен фотон или неутрон бъде спрян от защитните стени на реактора (бетон и стомана), скаларната частица ще премине безпрепятствено през тях. Тя ще напусне залата на реактора и ще полети навън.

Методът на откриване

Трудността при откриването на такива частици се състои в това, че те са трудни не само за създаване, но и за регистриране. Тъй като преминават през стените, те също толкова лесно преминават през конвенционалните детектори.

За да се уловят тези частици, учените предлагат да се използва детектор на основата на тежка вода, разположен в непосредствена близост до реактора (на разстояние 10-20 метра). Тежката вода се отличава с това, че в нея водородните атоми са заменени с деутерий (ядрото на деутерия се състои от един протон и един неутрон).

Методът на регистрация се основава на реакцията на разцепване (дисоциация). Ако хипотетичната частица, излитаща от реактора, удари деутериевото ядро в детектора, тя ще му предаде енергията си. Тази енергия (която, както си спомняме, първоначално е била заложена от бързия неутрон) е достатъчна, за да разкъса връзката между протона и неутрона.

В резултат на това деутериевото ядро се разпада. Този разпад произвежда характерен сигнал, който може да бъде засечен от съвременните уреди. Тъй като реакторът е надеждно защитен, никакви обикновени частици (нито неутрони, нито гама лъчи) не могат да попаднат в детектора и да създадат фалшив сигнал. Ако уредите засекат разпад на деутерия, това би означавало, че нещо неизвестно за науката е преминало през защитата.

Предимствата на високия интензитет

Защо този експеримент не може да се направи в сега съществуващите ускорители, като например Големия адронен колайдер? Причината е в разликата в подхода.

Ускорителите работят на границата на енергията – те ускоряват частиците до екстремни скорости, за да се получат при сблъсъка много тежки обекти. Реакторът за термоядрен синтез работи на границата на интензивността. Тук енергиите са сравнително малки, но броят на събитията е огромен.

В един реактор на бъдещето (като DEMO) плътността на неутронния поток ще достигне 1015 частици на квадратен сантиметър в секунда. Дори вероятността за пораждане на желаната частица да е пренебрежимо малка, благодарение на огромния брой опити учените ще могат да натрупат необходимата статистика.

Според изчисленията само една година работа на детектора в близост до реактора ще даде възможност да се проверяват физичните теории с точност, която днес е недостъпна за никоя друга лаборатория в света.

Перспективи

Това изследване променя начина, по който гледаме на дългосрочните проекти за термоядрен синтез. Дори във фазата на пилотната експлоатация, когато реакторите все още няма да доставят електроенергия в мрежата в промишлен мащаб, те ще могат да осигурят фундаментални научни ползи.

Съоръжението, предназначено за решаване на енергийни проблеми, се превръща в инструмент за изучаване на структурата на Вселената. Ако предложеният експеримент се увенчае с успех, физиците ще разполагат с доказателство за съществуването на нов вид материя, което ще бъде едно от най-големите открития на 21-ви век.