Fusionsreaktor-Wände als Teilchenfabrik: Wie Neutronen „dunkle“ Kandidaten erzeugen könnten

Fusionsreaktoren gelten vor allem als Hoffnungsträger für CO₂-arme Energie. Eine neue theoretische Arbeit schlägt nun vor, dass solche Anlagen nebenbei auch als Labor für Teilchenphysik dienen könnten – genauer: als Quelle für extrem schwach wechselwirkende, leichte Teilchen aus dem „dunklen Sektor“, zu denen auch axionartige Teilchen zählen. Die zugrunde liegende Idee ist nicht, dass im heißen Plasma selbst exotische Materie entsteht, sondern in den Materialien, die den Reaktor auskleiden.

Was genau behauptet die Studie?

Die Forschenden analysieren, was mit dem intensiven Neutronenfluss passiert, den künftige Deuterium-Tritium-Fusionsanlagen erzeugen. Bei dieser Reaktion wird ein großer Teil der freiwerdenden Energie von schnellen Neutronen getragen, die das Plasma verlassen und in den inneren Wänden beziehungsweise sogenannten Blankets absorbiert werden. Diese Schichten dienen unter anderem dazu, Tritium für den Reaktorbetrieb zu erzeugen. Gerade dort laufen zahlreiche Kernreaktionen und Kernübergänge ab.

Die Studie argumentiert, dass in seltenen Fällen bei solchen Prozessen zusätzlich zu gewöhnlicher Strahlung auch neue, sehr leicht gekoppelte Spin-0-Teilchen entstehen könnten – also skalare oder pseudoskalare Teilchen, die zu den axionartigen Kandidaten gezählt werden. Entscheidend ist die Einordnung: Es geht nicht um einen experimentellen Nachweis oder um die Aussage, Dunkle Materie werde im Reaktor „produziert“, sondern um eine theoretisch hergeleitete Möglichkeit und um Abschätzungen, ob daraus prinzipiell ein messbares Signal resultieren könnte.

Warum gerade Axionen und axionartige Teilchen?

Axionen sind hypothetische, extrem leichte Teilchen, die ursprünglich zur Lösung eines offenen Problems der starken Wechselwirkung vorgeschlagen wurden. Seit Jahrzehnten gelten sie zudem als mögliche Bausteine der Dunklen Materie. Ihre größte Herausforderung liegt darin, dass sie nur sehr schwach mit normaler Materie wechselwirken. Genau deshalb sind neue Suchansätze von Interesse: Nicht, weil sie sofort eine Entdeckung versprechen, sondern weil sie bislang kaum zugängliche Parameterbereiche testen könnten.

Die Arbeit ordnet Fusionsreaktoren als potenzielle Ergänzung zu bestehenden Suchstrategien ein, etwa zu Experimenten, die auf kosmische Axionen, solare Quellen oder spezielle Resonanzdetektoren setzen.

Der Mechanismus: Neutronen, Kernzustände und „exotische“ Übergänge

Im Zentrum steht der Neutronenbeschuss der Reaktorwände. Betrachtet werden vor allem Prozesse, bei denen Neutronen von Atomkernen eingefangen werden und diese in angeregte Zustände versetzen. Beim Übergang zurück in einen stabileren Zustand wird Energie frei, meist in Form von Gammastrahlung. In seltenen Fällen könnte – sofern die gesuchten Teilchen existieren und entsprechend koppeln – ein Teil dieser Energie auch in Form eines exotischen Teilchens abgegeben werden.

Ein weiterer diskutierter Mechanismus ist die Streuung und Abbremsung von Teilchen, bei der ebenfalls Strahlung entsteht. Der entscheidende Punkt: Axionartige Teilchen würden Materie nahezu ungehindert durchdringen. Dadurch könnten sie die massive Abschirmung eines Reaktors verlassen und in externen Detektoren gesucht werden – ähnlich dem Grundprinzip vieler Dunkle-Materie-Experimente, nur mit einer menschengemachten Quelle.

Was wäre der praktische Nutzen – und was bleibt Spekulation?

Der potenzielle Nutzen liegt weniger in einer unmittelbaren Entdeckung als in der Möglichkeit, theoretische Modelle einzugrenzen. Sollten empfindliche Detektoren in der Nähe großer Fusionsanlagen betrieben werden, könnten Nichtbeobachtungen genutzt werden, um obere Grenzen für die Kopplungsstärke solcher Teilchen an gewöhnliche Materie festzulegen. Die Studie zeigt, dass mehrjährige Messungen unter günstigen Bedingungen konkurrenzfähig zu bestehenden Beschränkungen sein könnten.

Dem stehen jedoch erhebliche Unsicherheiten gegenüber. Die erwarteten Produktionsraten hängen stark von den verwendeten Materialien, vom Neutronenspektrum, von der Geometrie des Reaktors und von Hintergrundsignalen ab. Zudem ist das Feld der axionartigen Teilchen theoretisch sehr breit: Während das sogenannte QCD-Axion stark eingeschränkt ist, erlauben axionähnliche Modelle eine große Vielfalt an Massen und Kopplungen. Die Ergebnisse sind daher als Szenarien zu verstehen, nicht als konkrete Vorhersagen.