Οι επιστημονικές εξελίξεις συχνά ξεπερνούν τη φαντασία των σεναριογράφων, αλλά σπάνια έρχονται να διορθώσουν τα μαθηματικά μιας δημοφιλούς τηλεοπτικής σειράς. Μια νέα έρευνα που δημοσιεύθηκε από το Πανεπιστήμιο του Σινσινάτι (UC) έρχεται να ανατρέψει τα δεδομένα στη φυσική υψηλών ενεργειών, προτείνοντας ότι οι αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης δεν αποτελούν απλώς το μέλλον της καθαρής ενέργειας, αλλά ίσως είναι και το κλειδί για την κατανόηση της μυστηριώδους Σκοτεινής Ύλης.
Σύμφωνα με τη μελέτη, η οποία διεξήχθη από μια διεθνή ομάδα ερευνητών, οι μελλοντικοί αντιδραστήρες θα μπορούσαν να παράγουν αξιόνια (axions), υποθετικά σωματίδια που θεωρούνται από τους βασικότερους υποψηφίους για τη συστατική ουσία της Σκοτεινής Ύλης. Το εντυπωσιακό στοιχείο της υπόθεσης; Η συγκεκριμένη θεωρητική πρόκληση είχε παρουσιαστεί χρόνια πριν στην επιτυχημένη σειρά The Big Bang Theory, όπου οι πρωταγωνιστές είχαν αποτύχει παταγωδώς να βρουν τη λύση.
Η επιστήμη πίσω από το σενάριο
Ο καθηγητής φυσικής του UC, Jure Zupan, σε συνεργασία με επιστήμονες από το Fermilab, το MIT και το Τεχνολογικό Ινστιτούτο Technion του Ισραήλ, παρουσίασε μια μέθοδο παραγωγής αξιονίων μέσα σε αντιδραστήρες σύντηξης. Η έρευνά τους, που δημοσιεύτηκε στο Journal of High Energy Physics, εστιάζει σε έναν σχεδιασμό αντιδραστήρα που χρησιμοποιεί καύσιμο δευτερίου και τριτίου εντός ενός θαλάμου με επένδυση λιθίου. Πρόκειται για μια διάταξη που θυμίζει έντονα τα χαρακτηριστικά του προγράμματος ITER στη νότια Γαλλία.
Η διαδικασία παραγωγής ενέργειας σε αυτούς τους αντιδραστήρες γεννά τεράστιες ποσότητες νετρονίων. Μέχρι πρότινος, η προσοχή ήταν στραμμένη στη διαχείριση αυτών των νετρονίων για την παραγωγή θερμότητας. Ωστόσο, η ομάδα του Zupan εντόπισε έναν παράπλευρο μηχανισμό: όταν τα νετρόνια αλληλεπιδρούν με τα υλικά των τοιχωμάτων του αντιδραστήρα (όπως το λίθιο) ή όταν συγκρούονται και επιβραδύνονται (μια διαδικασία γνωστή ως ακτινοβολία πέδησης), μπορούν θεωρητικά να γεννήσουν νέα σωματίδια. Αυτά τα σωματίδια είναι τα αξιόνια.
Η «αποτυχία» του Sheldon και του Leonard
Για τους λάτρεις της ποπ κουλτούρας, η σύνδεση με το Big Bang Theory προσδίδει στην ανακάλυψη μια γοητευτική ειρωνεία. Στον 5ο κύκλο της σειράς, οι χαρακτήρες Sheldon Cooper και Leonard Hofstadter πάσχιζαν να λύσουν το ίδιο ακριβώς πρόβλημα. Όπως αποκάλυψε ο Zupan, οι εξισώσεις που εμφανίζονταν στους ασπροπίνακες της σειράς δεν ήταν τυχαίες μουντζούρες, αλλά πραγματικά φυσικά μοντέλα που είχαν τοποθετηθεί ως «easter eggs» για τους επιστήμονες-θεατές.
Σε ένα επεισόδιο, ένας πίνακας έδειχνε την παραγωγή αξιονίων από τον Ήλιο. Σε επόμενο επεισόδιο, οι υπολογισμοί κατέληγαν σε αδιέξοδο, συνοδευόμενοι από ένα ζωγραφισμένο λυπημένο πρόσωπο. Το πρόβλημα τότε ήταν στατιστικό: ο Ήλιος, λόγω του τεράστιου όγκου του, παράγει τόσο μεγάλη ισχύ που η πιθανότητα ανίχνευσης αξιονίων από αυτόν φάνταζε πάντα μεγαλύτερη από την πιθανότητα παραγωγής τους σε έναν επίγειο αντιδραστήρα, εφόσον χρησιμοποιούσαν τις ίδιες διαδικασίες.
Η καινοτομία της ομάδας του Zupan έγκειται στο ότι δεν προσπάθησαν να μιμηθούν τον Ήλιο. Αντιθέτως, εκμεταλλεύτηκαν τις μοναδικές συνθήκες του αντιδραστήρα και τις αλληλεπιδράσεις με τα τοιχώματα λιθίου, ανοίγοντας έναν δρόμο που οι σεναριογράφοι (και οι φανταστικοί φυσικοί της σειράς) είχαν αγνοήσει.
Γιατί τα αξιόνια έχουν σημασία
Η αναζήτηση της Σκοτεινής Ύλης παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα στοιχήματα της σύγχρονης Κοσμολογίας. Παρόλο που η Σκοτεινή Ύλη φαίνεται να αποτελεί τη συντριπτική πλειονότητα της μάζας του Σύμπαντος, επηρεάζοντας την κίνηση των γαλαξιών, παραμένει αόρατη καθώς δεν απορροφά και δεν εκπέμπει φως. Η βαρυτική της επίδραση είναι αδιαμφισβήτητη, αλλά η σωματιδιακή της φύση διαφεύγει.
Τα αξιόνια, αν αποδειχθεί ότι υπάρχουν, θα μπορούσαν να λύσουν αυτόν τον γρίφο. Είναι εξαιρετικά ελαφριά σωματίδια που αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την κοινή ύλη, γεγονός που καθιστά τον εντοπισμό τους εξαιρετικά δύσκολο. Η δυνατότητα χρήσης των αντιδραστήρων σύντηξης ως «εργοστασίων» παραγωγής και ανίχνευσης αξιονίων μετατρέπει αυτές τις εγκαταστάσεις σε διπλά εργαλεία: παραγωγούς άφθονης ενέργειας και ταυτόχρονα πειραματικές διατάξεις θεμελιώδους φυσικής.
Το μέλλον της έρευνας
Η μελέτη έρχεται σε μια κρίσιμη στιγμή, καθώς η τεχνολογία σύντηξης ωριμάζει και πλησιάζει στην εμπορική της εφαρμογή. Η προοπτική να «ξεκλειδώσουμε» τα μυστικά του Σύμπαντος μέσα από τις ίδιες μηχανές που θα τροφοδοτούν τις πόλεις μας με ηλεκτρισμό προσφέρει ένα νέο κίνητρο για την επιτάχυνση των ερευνών. Αν οι θεωρητικές προβλέψεις του Zupan και των συνεργατών του επιβεβαιωθούν πειραματικά, θα μιλάμε για μια από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις του 21ου αιώνα.
