Fizikai išsprendė „Didžiojo sprogimo teorijos“ problemą. Branduolių sintezės reaktoriai iš tikrųjų gali tai padaryti

Įsivaizduokite mokslininkus, žiūrinčius komedijinį serialą, kuriame rodoma scena, kaip jų kolegos pagal profesiją daužo galvas į sieną, nes negali išspręsti neišsprendžiamos mįslės. Po kelerių metų tie patys žiūrovai sėda prie savo pačių skaičiavimų ir… tą problemą išnarplioja. Būtent tokia istorija nutiko Sinsinačio universitete. Kalbama apie dilemą, kuri penktajame serialo „Didžiojo sprogimo teorija“ sezone nedavė ramybės Sheldonui Cooperiui ir Leonardui Hofstadteriui: kaip branduolinės sintezės reaktoriuje pagaminti aksionus – hipotetines daleles, laikomas vienomis pagrindinių tamsiosios materijos kandidatų?

Tamsioji materija ir jos paslaptingiausias kandidatas

Aksionai jau daugelį metų kaitina fizikų vaizduotę, nes galėtų pagaliau paaiškinti tamsiosios materijos prigimtį. Ši nematoma substancija sudaro apie 85 % Visatos masės. Ji nei spinduliuoja, nei sugeria, nei atspindi šviesos, o pasireiškia tik per savo gravitacinį poveikį, kuris, pavyzdžiui, laiko galaktikas drauge. Be tamsiosios materijos mūsų kosmoso kilmės ir raidos modeliai tiesiog nebesusidėlioja. Aksionų paieškos šiek tiek primena vaiduoklių medžioklę. Mokslininkai jų ieško specialiuose detektoriuose, paslėptuose giliai po žeme, stebi Saulę, netgi analizuoja signalus iš tolimų žvaigždžių. Kiekviena nauja, potenciali šių dalelių „gamykla“ yra didelė viltis proveržiui. Ir, kaip rodo naujausi tyrimai, tokia gamykla galėtų tapti termobranduoliniai reaktoriai.

Žurnale „Journal of High Energy Physics“ publikuoti tyrimai sutelkti į reaktorius, panašius į Prancūzijoje statomą ITER. Kalbama apie įrenginius, kuriuose vyksta deuterio ir tričio sintezė, o vidus išklotas ličio plokštėmis. Profesoriaus Jure Zupano vadovaujama komanda nurodė du pagrindinius procesus, kurie tokioje aplinkoje galėtų lemti aksionų susidarymą. Pirmasis susijęs su neutronų sąveika su reaktoriaus sienomis. Kaip aiškina pats Zupanas, neutronai sąveikauja su sienų medžiaga, o susidariusios branduolinės reakcijos gali sukurti naujas daleles. Antrasis mechanizmas – vadinamasis stabdomasis spinduliavimas. Kai neutronai atsitrenkia į kitas daleles ir sulėtėja, išlaisvinta energija teoriškai gali materializuotis aksionų arba į juos panašių dalelių pavidalu.

Kodėl reaktorius gali būti geresnis už Saulę?

Iš pirmo žvilgsnio ši idėja gali pasirodyti kiek beprotiška. Juk Saulė yra milžiniškas, natūralus sintezės reaktorius, pasižymintis neįsivaizduojama galia. Tad kodėl gi neieškoti aksionų ten? Kaip dažnai nutinka, problema slypi detalėse – tiksliau, atstume. Saulėje pagamintoms dalelėms tenka įveikti 150 milijonų kilometrų, kol jos pasiekia mūsų detektorius, o tai smarkiai sumažina jų aptikimo tikimybę. Laboratorinis reaktorius suteikia kontrolės ir artumo pranašumą. Galimybė gaminti aksionus kitais nei Saulės procesais ir pastatyti detektorių visai šalia šaltinio yra tikras lūžis. Tyrimo autoriai teigia, kad net vienerių metų matavimų ciklas prie esamų ar planuojamų reaktorių galėtų suteikti esminių duomenų apie hipotetinių tamsiosios materijos dalelių sąveiką su nukleonais. Tai potencialas, kurio nevalia ignoruoti, nors, žinoma, kelias nuo teorijos iki praktinės detekcijos dar ilgas.

Visa ši istorija turi ir itin simpatišką popkultūrinį atspalvį. „Didžiojo sprogimo teorija“ visada mėgo autentiškas mokslines detales. Aksionų gamybos lygtis serialo lentose pasirodydavo kaip savotiški „easter eggai“ įšventintiesiems. Zupanas pabrėžia, kad būtent toks realizmas darė serialą malonų žiūrėti. Tačiau Sinsinačio komandos atradimas – tai kur kas daugiau nei tik miela įdomybė gerbėjams. Jei ITER tipo sintezės reaktoriai pasirodys esantys ne tik perspektyvus švarios energijos šaltinis, bet ir veiksminga aksionų gamybos priemonė, tai atvers visiškai naują frontą lenktynėse siekiant suprasti tamsiąją materiją. Tai ambicinga vizija, kurioje viena nepaprastai sudėtinga technologija tarnauja dviem fundamentaliems žmonijos tikslams: energijos užtikrinimui ir giliausių Visatos paslapčių pažinimui.