Sötét anyag a reaktorban: Az fúziós energia hozhatja el a fizika legnagyobb áttörését
Az atomok egyesüléséből energiát nyerő fúziós reaktoroknak lehet egy teljesen váratlan tudományos mellékterméke: segíthetnek leleplezni a sötét anyagot. Egy nemzetközi kutatócsoport elméleti úton bizonyította, hogy a fúziós létesítményekben olyan egzotikus részecskék jöhetnek létre, mint a feltételezett axion – de nem ott, ahol eddig keresték őket.
A kutatók rámutattak, hogy ezek az apró tömegű, úgynevezett „sötét szektor” részecskék nem magában a fúziós folyamatban keletkeznek, hanem a nagy energiájú neutronok és a reaktor falának kölcsönhatása során. Ez a javaslat a korábban lehetetlennek tartott észlelést reális elméleti útvonallá emelte, és ígéretes lépést jelent a jövőbeli kísérleti kutatások felé.
A kozmosz legnagyobb kérdőjele
A sötét anyag a modern csillagászat egyik legnagyobb rejtélye. A probléma lényege, hogy a Világegyetemben megfigyelhető látható anyag mennyisége messze túl kevés ahhoz, hogy létrehozza azt a gravitációs erőt, amelyet a galaxisok mozgásában tapasztalunk. Valami, amit még nem azonosítottunk, egy hatalmas hálóként tartja össze a világot, anélkül, hogy fényt bocsátana ki vagy nyelne el.
A tudósok számításai szerint a normál anyag a Világegyetem anyagtartalmának mindössze 16 százalékát teszi ki, a maradék 84 százalék sötét anyag. Az azonosítására számos elméleti jelölt létezik, a mikroszkopikus fekete lyukaktól az ultra-könnyű részecskékig, köztük az axionokig, amelyek jelenleg a legesélyesebb befutók.
Miért nem láttuk eddig?
Az elgondolás, miszerint axionok keletkezhetnek a csillagok belsejében zajló fúzió során, nem új. Ebből logikusan következne, hogy egy földi fúziós reaktorban is létrejöhetnek. Van azonban egy hatalmas bökkenő: a plazmában keletkező axionok mennyisége még a Nap esetében is elenyésző, egy sokkal kisebb földi reaktorban pedig gyakorlatilag észlelhetetlen.
Érdekesség, hogy Jure Zupan, a Cincinnati Egyetem fizikusa által vezetett kutatócsoport megjegyezte: „Munkánk befejezése után tudatosult bennünk, hogy az axionok fúziós létesítményekben való előállításának hasonló ötletét az Agymenők (The Big Bang Theory) című szituációs komédia egyik epizódjában is tárgyalták. Ott Sheldon Cooper és Leonard Hofstadter az axionok plazmában történő előállítását fontolgatták, ami sajnos – a valóságban is – túl alacsony részecskeáramláshoz vezetne.”
Új megközelítés: A tenyésztőköpeny titka
Zupan és csapata a plazma helyett a reaktor egy másik részére, a tenyésztőköpenyre (breeding blanket) fókuszált. A deutérium-trícium fúziós reaktorokban ez egy vastag, lítiumban gazdag réteg, amely a magot övezi. Feladata kettős: elnyeli a plazmából kilépő neutronokat, hőt termelve az energiatermeléshez, ugyanakkor a lítium elnyeli a neutronokat, majd héliummá és tríciummá bomlik szét, így „tenyésztve” üzemanyagot a reaktor számára.
A matematikai elemzés kimutatta, hogy az axionok vagy axion-szerű részecskék éppen ezekben a neutronbefogási folyamatokban jöhetnek létre, vagy akkor, amikor a neutronok lelassulnak a reaktor falának ütközve (ezt a jelenséget neutron-fékezési sugárzásnak hívják).
A kutatók szerint az így keletkező axionáramlás nagyságrendekkel magasabb, mint amit közvetlenül a fúziós plazmától várnánk, és elérheti azt a szintet, amely már a reaktor falain kívül is mérhető eszközökkel észlelhető.
Új út a megoldáshoz
„A Nap egy hatalmas objektum, amely rengeteg energiát termel. Annak az esélye, hogy a Napból érkező új részecskék áramoljanak a Földre, nagyobb, mint hogy fúziós reaktorokban ugyanazokkal a folyamatokkal állítsuk elő őket, mint a Napban” – magyarázza Zupan. „Azonban a reaktorokban egy teljesen más folyamatsorozatot használva mégis képessé válhatunk az észlelésükre.”
Ez a felfedezés, amelyet a Journal of High Energy Physics szakfolyóiratban publikáltak, új távlatokat nyit: a jövő fúziós erőművei nemcsak tiszta energiát adhatnak az emberiségnek, hanem kulcsot is a Világegyetem legnagyobb titkainak feltárásához.
Ma 2025. december 25-e, csütörtök van. Ez a tudományos eredmény méltó zárása az évnek, hiszen közelebb vihet minket ahhoz, hogy megértsük a minket körülvevő láthatatlan világot.
