Un modelo teórico propone buscar materia oscura en reactores de fusión: ¿una nueva vía para resolver uno de los mayores enigmas del universo?

Un modelo teórico desarrollado por físicos internacionales propone un nuevo enfoque para buscar materia oscura en reactores de fusión, abriendo posibilidades inéditas para detectar partículas invisibles en instalaciones nucleares.

El trabajo, encabezado por Jure Zupan de la University of Cincinnati, fue publicado en el Journal of High Energy Physics y describe cómo podrían generarse axiones —partículas subatómicas hipotéticas que hasta ahora solo existen en la teoría— en reactores de fusión nuclear.

Según la investigación, en la que participaron expertos del Fermi National Laboratory, el MIT y el Technion–Israel Institute of Technology, el modelo se centra en reactores experimentales que funcionan con deuterio y tritio, dos formas del hidrógeno. Estos combustibles nucleares liberan enormes cantidades de energía cuando se fusionan, un proceso similar al que ocurre en el interior del Sol.

Los reactores, actualmente en desarrollo en el sur de Francia, tienen paredes recubiertas de litio. Durante la operación, el reactor genera flujos intensos de neutrones (partículas que forman parte del núcleo atómico), que al impactar y atravesar los materiales del reactor, provocan reacciones complejas capaces de producir nuevas partículas.

Zupan explicó que existen dos mecanismos principales que podrían conducir a la aparición de axiones. El primero es la interacción directa del flujo de neutrones con el material de la pared del reactor. El segundo mecanismo, menos evidente, pero igual de relevante, ocurre cuando los neutrones chocan en el interior del reactor y se desaceleran: entonces liberan energía en forma de radiación de frenado.

Este tipo de radiación, que aparece cuando partículas cargadas se detienen bruscamente al atravesar un material, podría dar origen a partículas “del sector oscuro”, como los axiones.

De acuerdo con la Universidad de Cincinnati y el Journal of High Energy Physics, los axiones son partículas propuestas por la física teórica y nunca han sido detectadas de manera directa.

Los expertos creen que serían uno de los componentes principales de la llamada materia oscura, una sustancia invisible que no emite, refleja ni absorbe luz, y cuya existencia solo puede inferirse por los efectos gravitacionales que provoca sobre las estrellas y galaxias.

La materia oscura es un misterio central de la cosmología, ya que, según las estimaciones actuales, constituye la gran mayoría de la masa del universo: mientras que toda la materia visible —como planetas, estrellas y polvo cósmico— representa solo una pequeña fracción.

El Journal of High Energy Physics detalla que, en los reactores de fusión alimentados con deuterio-tritio, parte de la energía se transporta mediante flujos muy intensos de neutrones, que impactan y son absorbidos en las paredes internas, recubiertas de litio.

Esta interacción con el litio tiene como función producir tritio, el combustible que luego se reutiliza; sin embargo, el mismo proceso podría generar partículas extremadamente ligeras y difíciles de detectar, como los axiones u otras del llamado “sector oscuro” (nombre dado a la familia de partículas hipotéticas asociadas a la materia oscura).

El estudio calcula el posible flujo de estas partículas hacia fuera del reactor y examina diferentes métodos para buscarlas y reconocerlas, utilizando experimentos en instalaciones termonucleares actuales y futuras. Los investigadores apuntan a que, con observaciones prolongadas, estos experimentos pueden establecer límites clave sobre cómo interactúan las partículas del sector oscuro con la materia ordinaria.

La investigación incluye una curiosa conexión con la cultura popular: la Universidad de Cincinnati recordó que la teoría sobre la generación de axiones en reactores de fusión fue planteada —sin solución— por Sheldon Cooper y Leonard Hofstadter en episodios de la quinta temporada de The Big Bang Theory.

En la serie, los personajes se topan con la dificultad de producir axiones en fusión y quedan frustrados, como lo ilustra el dibujo de una cara triste en la pizarra. Zupan subraya que, aunque el Sol, por su tamaño y energía, sería un lugar con mayor producción de axiones, los experimentos terrestres en reactores de fusión permiten abrir una nueva vía experimental para la física de partículas, utilizando procesos diferentes a los solares.

De cara al futuro, el trabajo publicado en Journal of High Energy Physics resalta la necesidad de desarrollar métodos de detección específicos para capturar señales de estas partículas dentro de los reactores de fusión. El estudio sugiere que experimentos de larga duración —que recojan datos durante meses o incluso años— podrían aportar restricciones líderes a escala mundial sobre las posibles interacciones entre los axiones y las partículas conocidas, acercando a los científicos a desvelar el misterio de la materia oscura.