Cómo los reactores de fusión podrían hacer aflorar la materia oscura (y resolver un viejo guiño de la serie «The Big Bang Theory»)
Mientras Sheldon y Leonard fracasaban ante una pizarra ficticia, la física real ha encontrado una salida. Un nuevo estudio sugiere que los reactores de fusión del futuro podrían servir no solo para generar energía limpia, sino también para detectar partículas de materia oscura, dando la razón —con años de retraso— a un guiño escondido en The Big Bang Theory.
Por Enrique Coperías
Fotograma de la serie The Big Bang Theory, con Sheldon Cooper entrando en su apartamento. En la pizarra blanca, las ecuaciones con las que él y su amigo Leonard tratan de demostrar sin éxito que un reactor de fusión podría producir axiones, unas partículas hipotéticas llamadas a desempeñar un papel clave en el misterio de la materia oscura.
Durante años fue solo un chiste para iniciados, un guiño escondido en una pizarra blanca que apenas unos pocos físicos supieron descifrar. En varios episodios de la serie de televisión The Big Bang Theory, los protagonistas Sheldon Cooper y Leonard Hofstadter intentaban —sin éxito— demostrar que un reactor de fusión podría producir axiones, unas partículas hipotéticas llamadas a desempeñar un papel clave en el misterio de la materia oscura.
En la ficción, el intento acababa con una ecuación fallida y el emoticono de una carita triste dibujada con rotulador. En la vida real, sin embargo, la historia ha tomado otro rumbo.
Un grupo internacional de físicos teóricos cree haber encontrado una manera viable de hacer funcionar aquella idea. Su trabajo, publicado en la revista Journal of High Energy Physics, sostiene que los futuros reactores de fusión nuclear no solo servirán para generar energía limpia, sino que también podrían convertirse en una nueva ventana experimental hacia la materia oscura, uno de los grandes enigmas de la física moderna.
El estudio está liderado, entre otros, por Jure Zupan, profesor de Física en la University of Cincinnati, junto a colaboradores del Fermi National Accelerator Laboratory, el MIT y el Technion – Israel Institute of Technology. Su propuesta recupera aquella intuición televisiva, pero la reformula desde la física nuclear y la física de partículas más actual.
El problema de la materia oscura
La materia oscura constituye aproximadamente el 85 % de toda la materia del universo. No emite luz, no la refleja y apenas interactúa con la materia ordinaria. Sin embargo, su influencia gravitatoria es inconfundible: explica por qué las galaxias giran más rápido de lo esperado, cómo se agrupan los cúmulos galácticos y cómo evolucionó el cosmos tras el big bang, hace la friolera de casi 14.000 millones de años.
Pese a décadas de búsqueda, nadie ha observado directamente una partícula de materia oscura. Entre los candidatos más prometedores figuran los axiones, partículas extremadamente ligeras propuestas originalmente para resolver un problema teórico de la física de partículas y que, con el tiempo, se convirtieron en una opción sólida para explicar la materia oscura.
🗣️ «Una de las posibilidades principales es que la materia oscura esté formada por partículas muy ligeras, los llamados axiones o partículas tipo axión — explica Zupan—. “Son difíciles de detectar porque interactúan muy débilmente con el resto del universo».
A finales de 2023, Japón inauguró el mayor reactor de fusión nuclear del mundo. El JT-60SA, de seis pisos de altura, se encuentra en un hangar de Naka, en el norte de Tokio, y consta de una vasija de tipo tokamak con forma de donut capaz de contener plasma en remolino calentado a 200 millones de grados centígrados. Cortesía: National Institutes for Quantum Science and Technology
Por qué la fusión cambia las reglas
Hasta ahora, los físicos han buscado axiones en el Sol, en reactores nucleares de fisión o en detectores subterráneos protegidos del ruido cósmico. El nuevo trabajo propone mirar hacia otro lugar: los reactores de fusión nuclear, en particular los de deuterio-tritio que se están desarrollando en grandes proyectos internacionales como el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER), en el sur de Francia.
En estos reactores, la fusión de núcleos de hidrógeno pesado libera enormes cantidades de energía. A diferencia de la fisión, donde los neutrones transportan solo una pequeña fracción de esa energía, en la fusión los neutrones cargan con alrededor del 80 %, alcanzando energías mucho mayores.
«Los neutrones interactúan con el material de las paredes del reactor —dice Zupan—. Y esas reacciones nucleares pueden crear nuevas partículas».
Las paredes de estos reactores están recubiertas de litio, un elemento esencial para producir tritio y mantener el ciclo de la fusión. Cuando los neutrones chocan con núcleos de litio o hierro, pueden excitar estados nucleares inestables que, al relajarse, no solo emiten fotones, como ocurre normalmente, sino que también podrían emitir partículas del sector oscuro, como axiones o partículas similares.
Además, existe un segundo mecanismo: cuando los neutrones rebotan y se frenan al interactuar con otros núcleos, liberan energía en un proceso conocido como bremsstrahlung o radiación de frenado, que también podría generar estas partículas exóticas.
El guiño televisivo… y por qué ahora sí funciona
Esta es precisamente la idea que apareció, de forma casi clandestina, en The Big Bang Theory, una comedia de situación estadounidense creada por Chuck Lorre y Bill Prady que cosechó un gran éxito mundial. En varios episodios de la quinta temporada, una pizarra muestra ecuaciones relacionadas con la producción de axiones en el Sol, y, más tarde, un intento de trasladar ese mecanismo a un reactor de fusión. El resultado, en la ficción, era desalentador.
🗣️ «El problema es que el Sol es un objeto enorme que produce una cantidad colosal de energía —comenta Zupan—. La probabilidad de que se generen nuevas partículas en el Sol y lleguen hasta la Tierra es mayor que en un reactor si se usan los mismos procesos».
Eso explica la carita triste dibujada bajo la ecuación en la serie. Pero, como subraya el físico, ahí es donde Sheldon y Leonard se quedaron a medias.
«En nuestro trabajo mostramos que, aunque ese enfoque no funcione, se pueden producir axiones en reactores usando procesos diferentes a los del Sol”, afirma el astrofísico—. El concepto general estaba ahí, pero faltaba la pieza clave.
Los personajes nunca mencionan explícitamente los axiones ni explican las ecuaciones. Es un huevo de Pascua para físicos en una serie famosa por esconder referencias científicas entre sus chistes, desde el gato de Schrödinger hasta el efecto Doppler, pasando por cameos de premios Nobel, como Stephen Hawking, y veteranos de Star Trek.
«Por eso es fantástica de ver como científicos tienen muchas capas de humo», dice Zupan.
Jure Zupan, profesor de la Universidad de Cincinnati, investiga cómo los reactores de fusión podrían convertirse en una nueva herramienta para detectar materia oscura, una de las grandes incógnitas de la física contemporánea. Foto: Joseph Fuqua II / UC
Detectar lo casi indetectable
Producir axiones es solo la mitad del reto. La otra mitad es detectarlos. Para ello, los autores proponen un método elegante y probado: la disociación del deuterio.
Si un axión choca con un núcleo de deuterio, formado por un protón y un neutrón, con suficiente energía, puede romperlo. Este tipo de señal fue utilizada con gran éxito por el Observatorio de Neutrinos de Sudbury, en Canadá, para resolver el histórico problema de los neutrinos solares.
El estudio plantea instalar un detector similar, con miles de toneladas de agua pesada, a apenas unos metros de un reactor de fusión. Según sus cálculos, un reactor de nueva generación podría producir un flujo detectable de estas partículas, incluso teniendo en cuenta los fondos naturales como los neutrinos solares.
Una ventaja adicional es que los reactores pueden apagarse, lo que permite medir el fondo experimental con precisión y comparar los datos con el reactor en funcionamiento.
Más allá de la energía
El trabajo no promete un descubrimiento inmediato, pero sí abre una vía completamente nueva para explorar la física más allá del modelo estándar. Si se confirma, los reactores de fusión podrían convertirse en herramientas duales: generadores de energía limpia y laboratorios únicos para investigar la estructura profunda del universo.
Paradójicamente, una tecnología pensada para imitar la energía de las estrellas podría ayudarnos a entender aquello que las mantiene unidas.
Y lo que empezó como una broma visual en una comedia televisiva se ha convertido, gracias a la física teórica, en una propuesta seria para arrojar luz sobre uno de los grandes misterios del cosmos.
Como diría Sheldon en estos casas, «zas, en toda la boca».▪️
Información facilitada por la Universidad de Cincinnati
Fuente: Baruch, C., Fitzpatrick, P. J., Menzo, T. et al. Searching for exotic scalars at fusion reactors. Journal of High Energy Physics (2025). DOI: https://doi.org/10.1007/JHEP10(2025)215
