UN TANQUE GIGANTE DE AGUA CAPTA CENTRALES NUCLEARES A 146 KM
Los reactores nucleares son fábricas de antineutrinos electrónicos. Dentro del combustible, los fragmentos de fisión sufren desintegración beta: un neutrón de un núcleo se convierte en un protón, un electrón y un antineutrino. De hecho, los reactores fueron la primera fuente de neutrinos detectada, en el experimento de Cowan y Reines de 1956. Desde entonces han ayudado a medir cómo oscilan los neutrinos, es decir, cómo cambian de tipo mientras viajan.
La colaboración Super-Kamiokande, unos 250 físicos de Japón, Estados Unidos, Europa, Corea, China, Canadá y otros lugares, informa ahora de que su detector también los ve.
Un tanque construido para piezas mayores
Super-Kamiokande es un detector de agua de 50 kilotoneladas, situado a 1.000 metros bajo tierra en la mina de Kamioka, en Japón. Su volumen interior contiene 32.000 toneladas de agua vigiladas por 11.129 sensores de luz, de 20 pulgadas de ancho cada uno. Una partícula cargada rápida que cruza el agua emite un tenue cono de luz, la luz de Cherenkov, a partir del cual se pueden reconstruir su posición, su dirección y su energía.
Los antineutrinos de reactor, sin embargo, solo llevan unos pocos millones de electronvoltios. En este rango de baja energía, un destello aislado se pierde fácilmente entre la radiactividad natural y los restos de los rayos cósmicos.
Una pizca de gadolinio
El truco es una firma en dos tiempos. Cuando un antineutrino choca con un protón del agua, produce un positrón, que destella de inmediato, y un neutrón, que vaga, se frena y acaba capturado por un núcleo. Si lo captura el hidrógeno, el neutrón libera un único rayo gamma de 2,2 MeV, difícil de ver. Si lo captura el gadolinio, libera una cascada de rayos gamma que suman unos 8 MeV, fácil de ver.
Así, en julio de 2020 se disolvieron en el agua 13 toneladas de sulfato de gadolinio (un 0,011 % en masa); en junio de 2022 se añadieron 27 toneladas más (un 0,033 %). Ahora el gadolinio captura aproximadamente la mitad de los neutrones, y después unas tres cuartas partes, en unos 120 y luego 60 microsegundos. Un disparador rápido por software capta electrones de hasta unos 2,5 MeV con una eficiencia cercana al 100 %.
Escuchando la bahía de Wakasa
Varias centrales se encuentran a unos 200 km del detector, sobre todo en Japón, con una pequeña contribución de Corea. Las activas más cercanas están en la bahía de Wakasa: Mihama 3 (146 km), Ohi 3 y 4 (179 km) y Takahama 1 a 4 (191 km). Entre 2020 y 2023, muchas de ellas estaban funcionando o volviendo a arrancar. El flujo esperado se calculó mes a mes a partir de la carga declarada de cada reactor, usando la base de datos de reactores del Organismo Internacional de Energía Atómica.
El fondo procede de los geoneutrinos —antineutrinos de la propia radiactividad de la Tierra—, de coincidencias fortuitas y de los restos radiactivos que dejan los muones cósmicos. Para medirlo, el equipo aprovechó una ventana afortunada: en noviembre y diciembre de 2020, los principales reactores de la bahía de Wakasa estaban apagados o en proceso de parada. Los datos de esos dos meses son casi fondo puro.
El análisis abarca 411,52 días de tiempo efectivo, de febrero de 2021 a septiembre de 2023. Un clasificador de aprendizaje automático y unos cortes en el tiempo (menos de 80 microsegundos) y la distancia (menos de 2 metros) entre los dos destellos seleccionan los pares candidatos.
Una señal que sigue a los reactores
La tasa mensual de sucesos sigue la actividad de los reactores y coincide con la predicción que incluye las oscilaciones. Un mundo sin antineutrinos de reactor queda descartado con una significación de unos 6 sigma: la primera observación de antineutrinos de reactor en Super-Kamiokande. El artículo no da el número total de sucesos seleccionados.
A partir del espectro de energía, el equipo extrae dos parámetros de oscilación: sin²θ₁₂ = 0,500 ± 0,155 y Δm²₂₁ = (9,08 +0,55/−0,54) × 10⁻⁵ eV².
Neutrinos y antineutrinos, uno al lado del otro
Super-Kamiokande también mide neutrinos procedentes del Sol, que son materia, no antimateria. Compararlos es una prueba de una simetría básica de la física, llamada CPT. Los valores difieren en unos 1,1 sigma para el ángulo y 2,2 sigma para la diferencia de masas; en conjunto, los dos grupos de datos son compatibles al nivel de 1,9 sigma, sin ningún indicio estadísticamente significativo de diferencia. Combinados, dan sin²θ₁₂ = 0,332 (+0,028/−0,026) y Δm²₂₁ = (8,94 +0,46/−0,47) × 10⁻⁵ eV².
La prepublicación, enviada a Physical Review Letters, contiene una incoherencia: la prueba de compatibilidad figura como Δχ² = 7,25 en el texto principal y 7,64 en el apéndice, y ambas se citan como 1,9 sigma. Los autores concluyen que el agua cargada de gadolinio convierte un tanque Cherenkov gigante en un detector operativo para antineutrinos de unos pocos millones de electronvoltios, con potencial para futuras mediciones en ese rango de energía.