Мы можем создать темную материю на Земле: как побочный продукт термояда поможет найти то, что мы безуспешно искали в космосе

Пока инженеры решают задачу получения чистой энергии с помощью термоядерного синтеза, физики-теоретики увидели в будущих реакторах неожиданную перспективу. Машины типа ITER или DEMO могут стать уникальным инструментом для поиска частиц «новой физики», недоступных для обнаружения в классических ускорителях.

Международные проекты термоядерных реакторов, такие как строящийся во Франции ITER, рассматриваются исключительно в контексте энергетической безопасности. Их цель — воспроизвести процессы, протекающие в недрах звезд, и получить источник безопасной электроэнергии.

Однако в недавней работе, опубликованной в Journal of High Energy Physics (JHEP), группа исследователей из Израиля, США и Мексики предложила использовать эти установки для решения одной из главных загадок космологии — природы темной материи. Авторы утверждают, что условия, возникающие при термоядерной реакции, идеально подходят для рождения гипотетических легких частиц — скаляров и аксионоподобных частиц (ALP).

Фундаментальное отличие нейтронного потока

Главным фактором, определяющим научную ценность термоядерного реактора, является энергия нейтронов.

В реакторах деления (на которых работают все современные АЭС) энергия выделяется при распаде тяжелых ядер урана или плутония. В этом процессе образуются нейтроны со средней энергией около 2 МэВ (мегаэлектронвольт). Эти нейтроны необходимы для поддержания цепной реакции, но их кинетическая энергия недостаточна для инициации многих редких ядерных процессов.

В термоядерном реакторе происходит слияние легких ядер — дейтерия и трития. В результате этой реакции образуется ядро гелия (альфа-частица) и свободный нейтрон. Особенность реакции заключается в распределении энергии: нейтрон забирает 80% всей выделившейся энергии, приобретая импульс, соответствующий 14,1 МэВ.

Это значение открывает доступ к так называемым «экзотическим ядерным переходам», которые энергетически запрещены в реакторах деления. Кроме того, плотность потока нейтронов в термоядерной установке на два порядка превышает показатели обычных АЭС, что пропорционально увеличивает вероятность редких событий.

Механизм генерации экзотических полей

Конструкция термоядерного реактора предполагает наличие «бланкета» — сложной технологической оболочки, окружающей камеру с плазмой. Бланкет выполняет две функции: защиту внешних конструкций от радиации и наработку трития для поддержания топливного цикла. Для этого в состав бланкета вводят большое количество лития (изотопы Li-6 и Li-7), а несущие конструкции выполняют из стали (основной изотоп — железо-56).

Авторы исследования описывают следующий физический процесс:

1. Высокоэнергетический нейтрон вылетает из плазмы и сталкивается с ядром лития или железа в бланкете.
2. Ядро поглощает энергию удара и переходит в возбужденное нестабильное состояние.
3. Стремясь вернуться в стабильное состояние, ядро должно сбросить излишек энергии.

В рамках Стандартной модели этот сброс энергии происходит путем испускания гамма-кванта (фотона). Однако теоретические расширения Стандартной модели допускают существование иных каналов распада. Если существуют легкие скалярные частицы или аксионоподобные частицы, составляющие темный сектор, то возбужденное ядро может испустить именно их вместо фотона.

Вероятность такого события крайне мала и зависит от константы связи (силы взаимодействия) новой частицы с нуклонами (протонами и нейтронами). Но учитывая гигантский поток нейтронов в реакторе (порядка 10¹⁵ нейтронов на квадратный сантиметр в секунду), даже малая вероятность приводит к генерации значимого потока темных частиц.

Проблема регистрации: диссоциация дейтрона

Главная сложность в поиске темной материи — ее неуловимость. Эти частицы электрически нейтральны и практически не взаимодействуют с веществом. Многометровая бетонная и свинцовая защита реактора, полностью блокирующая нейтроны и гамма-излучение, для темных частиц прозрачна. Они беспрепятственно выходят за пределы здания реактора.

Чтобы их зарегистрировать, ученые предлагают использовать детектор, заполненный тяжелой водой (D₂O). Метод регистрации основан на процессе диссоциации дейтрона.

Ядро дейтерия (дейтрон) состоит из одного протона и одного нейтрона. Энергия связи между ними составляет примерно 2,2 МэВ. Если в дейтрон попадает частица с энергией выше этого порога, ядро распадается на протон и нейтрон, что можно зафиксировать приборами.

Здесь снова становится очевидным преимущество термоядерного синтеза:

• Частицы, рожденные нейтронами деления (2 МэВ), не имели бы достаточной энергии для разрыва дейтрона.
• Частицы, рожденные термоядерными нейтронами (14,1 МэВ), обладают энергией, многократно превышающей порог в 2,2 МэВ.

Это обеспечивает высокую эффективность регистрации. Детектор, расположенный на расстоянии 10-20 метров от реактора, будет фиксировать события распада дейтерия, вызванные пролетом частиц из темного сектора.

Астрофизические ограничения и лабораторный контроль

На сегодняшний день физика элементарных частиц во многом полагается на астрофизические данные. Ограничения на существование аксионов и скаляров выводятся из наблюдений за эволюцией звезд, красных гигантов и вспышек сверхновых (в частности, SN1987A). Логика этих ограничений строится на энергетическом балансе: если бы звезда активно излучала темные частицы, она теряла бы энергию быстрее и жила бы меньше, чем предсказывают модели.

Однако астрофизический подход имеет неустранимые недостатки:

1. Неопределенность моделей: мы не знаем точного состава недр конкретной звезды и условий внутри нее.
2. Невозможность контроля: мы не можем выключить звезду, чтобы измерить уровень фонового шума.

Использование термоядерного реактора переводит поиск в разряд контролируемого лабораторного эксперимента.

• Режим работы: исследователи точно знают, когда реактор включен, а когда выключен. Любое превышение числа событий в детекторе во время работы реактора над фоновым уровнем будет однозначным сигналом.
• Геометрия и состав: инженерам известно точное количество атомов лития и железа в бланкете, а также их пространственное распределение. Это позволяет построить точную математическую модель ожидаемого потока.
• Близость к источнику: расстояние от зоны реакции до детектора составляет метры, а не световые годы, что минимизирует потерю частиц (если они нестабильны и распадаются в полете).

Перспективы исследования

В работе проведен детальный расчет чувствительности предлагаемого эксперимента. Для анализа использовались параметры реакторов ITER и перспективного европейского реактора DEMO. В качестве детектора рассматривалась установка, аналогичная канадской нейтринной обсерватории SNO, содержащая около 1000 тонн тяжелой воды.

Результаты моделирования показывают, что даже один год наблюдений на работающем реакторе позволит исследовать параметры взаимодействия скалярных и псевдоскалярных частиц с нуклонами в диапазоне, который сейчас недоступен ни для одного другого метода.

В частности, это позволит проверить модели, в которых новые частицы имеют массу порядка 1-10 МэВ. Этот диапазон масс особенно интересен теоретикам, так как он слабо покрыт существующими ограничениями из физики пучков и распада редких мезонов.

Заключение

Предложенная концепция показывает, как развитие прикладных технологий открывает неожиданные возможности для фундаментальной науки. Термоядерные реакторы проектируются для утилитарной цели — генерации тепла и электричества. Однако специфические физические условия, создаваемые внутри них — экстремальная плотность потока нейтронов и их высокая энергия — превращают эти установки в уникальный инструмент исследования структуры материи.

Реализация подобного эксперимента не требует вмешательства в конструкцию самого реактора. Детектор может быть размещен в служебных помещениях за биологической защитой. Таким образом, поиск «новой физики» может вестись параллельно с основной эксплуатацией станции, превращая каждый запуск токамака в эксперимент на переднем крае физики частиц. Это исследование доказывает, что путь к пониманию скрытой массы Вселенной может лежать не через строительство все более гигантских коллайдеров, а через грамотное использование побочных продуктов энергетических технологий будущего.

Источник:Springer Nature Link