Fyzikové navrhují, že fúzní reaktory by mohly být nejen zdrojem čisté energie, ale i laboratoří pro vznik částic temné hmoty. Studie ukazuje, že interakce neutronů s materiály reaktoru mohou vést k produkci exotických částic, které by mohly poodhalit tajemství nejzáhadnější složky vesmíru.
Temná hmota je jednou z největších záhad ve vesmíru: víme, že existuje, protože její gravitace ovlivňuje rotaci galaxií a strukturu kup galaxií, ale dosud jsme přímo neviděli, co to je a jak interaguje se světlem nebo částicemi, které známe. Kosmologická data naznačují, že běžná hmota, tedy ta, ze které vznikají hvězdy, planety a my sami, tvoří jen asi 16 % veškeré hmoty ve vesmíru, zatímco zbytek, téměř 84 %, by podle většiny uznávaných odhadů měla tvořit temná hmota. Jinými slovy, vše, co vidíme dalekohledy – hvězdy, plyn, prach, celé galaxie – by byla jen viditelná špička obrovského vesmírného ledovce.
Tento závěr nevyplývá z jediného izolovaného pozorování, ale ze souboru nezávislých důkazů: rotace galaxií, způsobu ohybu světla při průchodu v blízkosti velkých shluků hmoty (gravitační čočkování), velkorozměrové struktury vesmíru a měření mikrovlnného záření pozadí, „ozvěny“ velkého třesku. Všechny tyto údaje nejlépe odpovídají předpokladu, že existuje typ hmoty, která nevyzařuje světlo, ale působí gravitačně.
Co je však ve skutečnosti tato neviditelná hmota? To zatím nevíme. Teoretických kandidátů je mnoho: od velmi hmotných, slabě interagujících částic (tzv. WIMP) až po ultralehké částice, jako jsou axiony nebo temné fotony. Všechno jsou to hypotézy, které vycházejí ze snahy vysvětlit hmotu, která nevyzařuje, neabsorbuje ani neodráží světlo, ale zjevně působí gravitačně. V jazyce částicové fyziky hovoříme o možném „temném sektoru“: souboru dalších částic a sil, analogických těm, které známe, ale sotva komunikujících s naším světem jinak než prostřednictvím gravitace nebo extrémně slabých interakcí.
Po desetiletí se hledání temné hmoty soustřeďuje na tři hlavní směry: podzemní detektory, které se snaží zaznamenat dopad temné částice na atom, astronomická pozorování, která hledají nepřímé signály (například záření gama nebo neutrina vznikající při anihilaci temné hmoty), a experimenty v urychlovačích částic, jako je LHC, které se snaží tyto částice vytvořit ve vysokoenergetických srážkách. Žádná z těchto strategií zatím nenalezla přesvědčivý signál, což vědeckou komunitu přimělo ke zkoumání kreativnějších nápadů a méně obvyklých scénářů.
V této souvislosti přichází studie publikovaná v časopise Journal of High Energy Physics s překvapivou myšlenkou: fúzní reaktory, určené k výrobě energie spojováním lehkých jader, by mohly být také místem, kde za specifických podmínek vznikají částice „temného sektoru“. Jinými slovy, zařízení určená k řešení energetických problémů lidstva by se mohla zároveň stát laboratořemi pro studium nepolapitelnějších složek vesmíru.
Abychom pochopili, proč je to zajímavé, je užitečné si připomenout, jak funguje fúzní reaktor. Nejpokročilejší konstrukce, jako jsou tokamaky (např. ITER) nebo stellarátory, se snaží napodobit proces, který pohání Slunce a hvězdy: slučování lehkých jader, obvykle deuteria a tritia, do extrémně horkého plazmatu. Toto plazma, omezené silným magnetickým polem, dosahuje teploty více než 100 milionů stupňů, což je dost na to, aby se jádra přiblížila natolik, že překonají elektrické odpuzování a dojde k jejich fúzi.
Při fúzní reakci deuteria a tritia (D-T) je hlavním výsledkem jádro helia (částice alfa) a velmi energetický neutron s energií přibližně 14 MeV. Tento intenzivní tok neutronů je zdrojem i výzvou: na jedné straně se využívá v rozmnožovací přikrývce bohaté na lithium k regeneraci tritia a uzavření palivového cyklu; na druhé straně tytéž neutrony poškozují materiály reaktoru, což vyžaduje vývoj vysoce radiačně odolných slitin.
Novinkou studie je, že tyto interakce neutronů s jádry okolního materiálu nejenže generují tritium, ale mohly by také dát vzniknout částicím temného sektoru (např. exotickým skalárům nebo pseudoskalárům o nízké hmotnosti), což jsou hypotetické typy částic, které by mohly být spojeny s temnou hmotou. Zjednodušeně řečeno: když se neutron srazí s jádrem lithia nebo jiných prvků přítomných ve struktuře reaktoru, může toto jádro excitovat do vyššího energetického stavu. Při deexcitaci by místo toho, aby emitovalo pouze záření gama nebo známé částice, mohlo – s malou, ale nenulovou pravděpodobností – emitovat také „temnou“ částici.
Klíčem k nové studii je chování neutronů poté, co opustí plazma: když interagují s jádrem lithia nebo jinými materiály v reaktoru, mohou předávat energii neobvyklým způsobem. Tato výměna energie a následné jaderné přechody by podle výpočtů mohly vést ke vzniku extrémně lehkých částic v tzv. temném sektoru. Tento mechanismus je koncepčně podobný tomu, jak byly navrženy jiné procesy produkce axionů nebo temných fotonů uvnitř hvězd nebo ve štěpných reaktorech, ale je přizpůsoben specifickému prostředí D-T fúze.
Z praktického hlediska autoři pod vedením Jureho Zupana odhadují, že tok těchto částic by mohl být větší než ten, který by vznikl přímo v samotném fúzním plazmatu, čímž by se vyčlenil příznivější kanál pro jejich potenciální detekci mimo stěny reaktoru. Důvodem je to, že „továrnou“ na temné částice by nebylo ani tak samotné plazma, ale obrovské množství interakcí neutronů s materiály obálky, kde je k dispozici mnoho jader a je možná široká škála jaderných přechodů.
To nabízí nejen novou teoretickou „laboratoř“ pro studium temné hmoty, ale také doplňkový způsob k hledání prováděnému v obřích urychlovačích částic nebo astrofyzikálních experimentech. Na rozdíl od urychlovače, kde jsou srážky velmi energetické, ale relativně vzácné, by nepřetržitě pracující fúzní reaktor mohl generovat stálý proud možných temných částic, což by otevřelo dveře experimentům, které by hromadily data po dlouhou dobu.
Myšlenka využití jaderných zařízení jako zdrojů exotických částic není zcela nová. V posledních letech bylo navrženo a prováděno hledání temných fotonů, sterilních neutrin a dalších lehkých částic ve štěpných reaktorech, přičemž se využíval intenzivní tok neutrin a gama záření, které produkují. Fúzní reaktory se liší typem jaderných reakcí a spektrem neutronů, které by mohly být obzvláště příznivé pro některé modely temného sektoru.
Pokud nás tento směr výzkumu něco učí, pak to, že ve vědě se odpovědi na velké otázky mohou objevit na těch nejneočekávanějších místech: nejen v teleskopech, které se dívají do hlubin oblohy, ale také v laboratořích a reaktorech, které stavíme zde na Zemi.