رآکتورهای همجوشی فقط انرژی تولید نمی‌کنند؛ شاید ماده تاریک نیز بسازند

فیزیکدانان در مطالعه‌ای تازه نشان داده‌اند که برخی ذرات بسیار سبکِ فرضی که به «بخش تاریک» جهان تعلق دارند، از جمله ذره‌ای به نام اکسیون، ممکن است در دل تأسیسات همجوشی ساخته شوند. نکته جالب اینجاست که این ذرات نه به‌طور مستقیم در خودِ فرایند همجوشی، بلکه در اثر برخورد نوترون‌های بسیار پرانرژی با دیواره‌ها و اجزای داخلی رآکتور به‌وجود می‌آیند.

در همجوشی هسته‌ای، هسته‌های اتمی سبک (معمولاً دوتریوم و تریتیوم) با هم ترکیب می‌شوند و انرژی بسیار زیادی آزاد می‌کنند؛ همان فرایندی که در قلب خورشید جریان دارد. یکی از محصولات مهم این واکنش، نوترون‌هایی با انرژی بسیار بالاست. این نوترون‌ها چون بار الکتریکی ندارند، به‌راحتی از پلاسما خارج می‌شوند و به دیواره‌های اطراف رآکتور برخورد می‌کنند.

ماده تاریک از بزرگ‌ترین معماهای کیهان‌شناسی است. مشاهدات نشان می‌دهد مقدار ماده معمولی (همان چیزی که ستاره‌ها، سیارات و انسان‌ها را می‌سازد) برای ایجاد گرانشی که در جهان می‌بینیم، کافی نیست.

کهکشان‌ها طوری حرکت می‌کنند که انگار جرم بسیار بیشتری از آنچه می‌بینیم در آن‌ها وجود دارد. دانشمندان برای توضیح این اختلاف، به وجود ماده‌ای نامرئی رسیده‌اند که نور ساطع نمی‌کند، جذب نمی‌کند و تقریباً با هیچ‌چیز برهم‌کنش ندارد، مگر از راه گرانش. این عنصر ناشناخته «ماده تاریک» نام گرفته است.

برآوردها نشان می‌دهد تنها حدود ۱۶ درصد از ماده جهان معمولی است و ۸۴ درصد باقی‌مانده را ماده تاریک تشکیل می‌دهد. اما این ماده دقیقاً از چه چیزی ساخته شده است؟ پاسخ روشن نیست. گزینه‌های پیشنهادی از سیاه‌چاله‌های بسیار ریز گرفته تا ذرات ناشناخته جدید را شامل می‌شود. یکی از جدی‌ترین نامزدها، اکسیون‌ها هستند؛ ذراتی فوق‌سبک که در نظریه‌های فیزیک ذرات پیش‌بینی می‌شوند.

نویسندگان مطالعه حتی با لحنی طنزآمیز اشاره می‌کنند که پس از پایان کارشان متوجه شده‌اند ایده تولید اکسیون در رآکتورهای همجوشی، پیش‌تر در چند قسمت از سریال کمدی تئوری بیگ بنگ مطرح شده بود؛ جایی که شخصیت‌های شلدون کوپر و لئونارد هوفستادر درباره تولید اکسیون در پلاسما صحبت می‌کنند.

اما تیم پژوهشی به رهبری یوره زوپان از دانشگاه سینسیناتی مسیر متفاوتی را بررسی کرد. آن‌ها به‌جای تمرکز بر پلاسما، سراغ بخشی کمتر مورد توجه در رآکتورهای همجوشی رفتند: «پوشش زاینده».

در رآکتورهای همجوشی دوتریوم–تریتیوم، اطراف محفظه اصلی را لایه‌ای ضخیم از مواد غنی از لیتیوم می‌پوشاند. این لایه دو کار اساسی انجام می‌دهد. نخست اینکه نوترون‌های پرانرژی حاصل از همجوشی به آن برخورد می‌کنند و انرژی جنبشی‌شان به گرما تبدیل می‌شود. از همین گرما در نهایت می‌توان برای تولید برق استفاده کرد. دوم اینکه نوترون‌ها توسط هسته‌های لیتیوم جذب می‌شوند و این فرایند به تولید تریتیوم جدید می‌انجامد؛ سوختی که خودِ رآکتور دوباره به آن نیاز دارد. به همین دلیل به این لایه «زاینده» گفته می‌شود؛ زیرا سوخت را «تولید» می‌کند.

پژوهشگران نشان داده‌اند که همین برخوردها و جذب نوترون‌ها می‌تواند پیامدهای دیگری هم داشته باشد. براساس محاسبات آن‌ها، در جریان جذب نوترون توسط هسته‌ها، یا حتی زمانی که نوترون پس از برخورد با ذرات دیگر سرعتش کم می‌شود و انرژی آزاد می‌کند، ممکن است اکسیون‌ها یا ذراتی شبیه به آن‌ها تولید شوند.

نکته مهم این است که شار نظری این ذرات، طبق محاسبات، بسیار بیشتر از مقداری است که مستقیماً از همجوشی انتظار می‌رود. حتی این احتمال وجود دارد که تعدادشان آن‌قدر باشد که بتوان در بیرون از دیواره‌های رآکتور هم ردشان را گرفت. اگر چنین چیزی در عمل ممکن شود، رآکتورهای همجوشی می‌توانند به ابزارهایی تازه برای جست‌وجوی ماده تاریک تبدیل شوند.

زوپان در توضیح این موضوع می‌گوید خورشید به‌دلیل اندازه و توان عظیمش، همچنان منبع بهتری برای تولید ذرات جدید با سازوکارهای ستاره‌ای است. اما مزیت رآکتورهای زمینی این است که می‌توان در آن‌ها به فرایندهایی دست زد که در خورشید نقشی ندارند یا بسیار نادرند. به بیان دیگر، زمین می‌تواند آزمایشگاهی کنترل‌شده برای بررسی مسیرهای متفاوت تولید ذرات تاریک باشد.

پژوهش در ژورنال Journal of High Energy Physics منتشر شده است.