Можем да създадем тъмна материя на Земята: как страничен термоядрен продукт може да ни помогне да намерим това, което безуспешно търсим в космоса

Докато инженерите решават проблема с генерирането на чиста енергия чрез термоядрен синтез, физиците теоретици виждат неочаквана перспектива в бъдещите реактори. Машини като ITER или DEMO могат да се превърнат в уникален инструмент за търсене на частици от „новата физика“, които не могат да бъдат открити в класическите ускорители.

Международните проекти за термоядрени реактори, като ITER, който се изгражда във Франция, се разглеждат единствено в контекста на енергийната сигурност. Тяхната цел е да се възпроизведат процесите, протичащи във вътрешността на звездите, и да се получи източник на безопасна електроенергия.

В неотдавнашна статия, публикувана в Journal of High Energy Physics (JHEP), група изследователи от Израел, САЩ и Мексико предлагат да използват тези съоръжения за разрешаване на една от основните загадки на космологията – природата на тъмната материя. Авторите твърдят, че условията, възникващи при термоядрена реакция, са идеални за раждането на хипотетични леки частици – скалари и аксион-подобни частици (ALP).

Фундаментална разлика в потока на неутроните

Основният фактор, който определя научната стойност на термоядрения реактор, е енергията на неутроните.

В реакторите с делене (на които работят всички съвременни атомни електроцентрали) енергията се освобождава при разпадането на тежките уранови или плутониеви ядра. При този процес се получават неутрони със средна енергия около 2 MeV (мегаелектронволта). Тези неутрони са необходими за поддържане на верижната реакция, но тяхната кинетична енергия е недостатъчна за иницииране на редица редки ядрени процеси.

В един термоядрен реактор леките ядра на деутерия и трития се сливат. При тази реакция се получава хелиево ядро (алфа частица) и свободен неутрон. Особеността на реакцията се състои в разпределението на енергията: неутронът отнема 80% от цялата освободена енергия, като придобива импулс, съответстващ на 14,1 MeV.

Тази стойност отваря достъп до така наречените „екзотични ядрени преходи“, които са енергийно забранени в реакторите с делене. Освен това плътността на неутронния поток в инсталация за термоядрен синтез е с два порядъка по-висока, отколкото в конвенционалните атомни електроцентрали, което пропорционално увеличава вероятността от редки събития.

Механизмът на генериране на екзотични полета

Конструкцията на термоядрения реактор предполага наличието на „бланкет“ – сложна технологична обвивка, обграждаща плазмената камера. Покритието изпълнява две функции: защита на външните структури от радиацията и генериране на тритий за поддържане на горивния цикъл. За тази цел в бланкета се добавят големи количества литий (изотопи Li-6 и Li-7), а поддържащите конструкции са изработени от стомана (основният изотоп е желязо-56).

Авторите на изследването описват следния физически процес:

1. Високоенергиен неутрон излита от плазмата и се сблъсква с литиево или желязно ядро в покривалото.
2. Ядрото поглъща енергията на удара и преминава във възбудено нестабилно състояние.
3. За да се върне в стабилно състояние, ядрото трябва да изхвърли излишната енергия.

В рамките на Стандартния модел това освобождаване на енергия става чрез излъчване на гама-квант (фотон). Теоретичните разширения на Стандартния модел обаче позволяват съществуването и на други канали на разпад. Ако съществуват леки скаларни частици или подобни на аксион частици, съставляващи тъмния сектор, възбуденото ядро може да излъчи тях вместо фотон.

Вероятността за подобно събитие е изключително малка и зависи от константата на свързване (силата на взаимодействие) на новата частица с нуклоните (протони и неутрони). Но като се има предвид огромният поток от неутрони в реактора (около 1015 неутрона на квадратен сантиметър в секунда), дори малката вероятност води до генериране на значителен поток от тъмни частици.

Проблемът с регистрацията: дисоциация на деутероните

Основната трудност при откриването на тъмната материя е нейната неуловимост. Тези частици са електрически неутрални и на практика нямат взаимодействие с материята. Многометровата бетонна и оловна защита на реактора, която напълно блокира неутроните и гама-лъчите, е прозрачна за тъмните частици. Те излизат безпрепятствено извън сградата на реактора.

За да ги регистрират, учените предлагат да се използва детектор, запълнен с тежка вода (D₂O). Методът за регистрация се основава на процеса на дисоциация на деутероните.

Едно деутериево ядро (деутерон) се състои от един протон и един неутрон. Енергията на свързване между тях е около 2,2 MeV. Ако в деутерона попадне частица с енергия над този праг, ядрото се разпада на протон и неутрон, които могат да бъдат регистрирани от уредите.

Тук отново се проявява предимството на термоядрения синтез:

• Частиците, пораждани от неутроните при деленето (2 MeV), не биха имали достатъчно енергия, за да разградят деутерона.
• Частиците, породени от неутроните при термоядрения синтез (14,1 MeV), имат енергии, многократно по-високи от прага от 2,2 MeV.

Това осигурява висока ефективност на регистрацията. Детекторът, разположен на разстояние 10-20 метра от реактора, ще регистрира събитията на разпад на деутерий, причинени от летящите от тъмния сектор частици.

Астрофизичните ограничения и лабораторния контрол

Досега физиката на елементарните частици разчиташе в голяма степен на астрофизичните данни. Ограниченията за съществуването на аксиони и скалари са извлечени от наблюдения на еволюцията на звездите, червените гиганти и свръхновите (по-конкретно SN1987A). Логиката на тези ограничения се основава на енергийния баланс: ако една звезда активно излъчва тъмни частици, тя би губила енергия по-бързо и би живяла по-кратко, отколкото предвиждат моделите.

Астрофизичният подход обаче има трудно преодолими недостатъци:

1. Несигурност на моделите: не знаем точния състав на вътрешността на дадена звезда и условията в нея.
2. Невъзможност за контрол: не можем да изключим звездата, за да измерим нивото на фоновия шум.

Използването на реактор за термоядрен синтез поставя търсенето в категорията на контролиран лабораторен експеримент.

• Режимът на работа: изследователите знаят точно кога реакторът е включен и кога е изключен. Всяко превишаване на броя на събитията в детектора по време на работа на реактора над фоновото ниво ще бъде недвусмислен сигнал.
• Геометрия и състав: инженерите знаят точния брой на атомите на лития и желязото в бланкета, както и пространственото им разпределение. Това позволява да се изгради точен математически модел на очаквания поток.
• Близост до източника: разстоянието от зоната на реакцията до детектора е метри, а не светлинни години, което свежда до минимум загубата на частици (ако те са нестабилни и се разпадат по време на полета).

Перспективите на изследването

В тази статия е извършено подробно изчисление на чувствителността на предложения експеримент. За анализа са използвани параметрите на реакторите на ITER и на бъдещия европейски реактор DEMO. Като детектор беше разгледано съоръжение, подобно на канадската обсерватория за неутрино SNO, съдържащо около 1000 тона тежка вода.

Резултатите от моделирането показват, че дори една година наблюдения в работещ реактор ще ни позволи да изследваме параметрите на взаимодействието на скаларните и псевдоскаларните частици с нуклоните в диапазон, който сега е недостъпен за никой друг метод.

По-конкретно, това ще даде възможност да се тестват модели, в които новите частици имат маси от порядъка на 1-10 MeV. Този диапазон на масите е от особен интерес за теоретиците, тъй като е слабо застъпен от съществуващите ограничения от физиката на лъчите и разпадането на редките мезони.

Заключение

Предложената концепция показва как развитието на приложните технологии открива неочаквани възможности за фундаменталната наука. Термоядрените реактори са проектирани с утилитарната цел да произвеждат топлина и електричество. Въпреки това специфичните физически условия, създавани в тях – екстремна плътност на неутронния поток и висока енергия на неутроните – ги превръщат в уникален инструмент за изследване на структурата на материята.

Осъществяването на подобен експеримент не изисква намеса в самия реактор. Детекторът може да бъде поставен в сервизни помещения зад биологична защита. По този начин търсенето на „новата физика“ може да се извършва паралелно с основната работа на централата, превръщайки всяко пускане на токамака в експеримент на върха на физиката на елементарните частици. Това изследване доказва, че пътят към разбирането на скритата маса на Вселената може да не минава през изграждането на все по-гигантски колайдери, а през умелото използване на страничните продукти на бъдещите енергийни технологии.