UM TANQUE GIGANTE DE ÁGUA CAPTA USINAS NUCLEARES A 146 KM
Os reatores nucleares são fábricas de antineutrinos do elétron. Dentro do combustível, os fragmentos de fissão sofrem decaimento beta: um nêutron de um núcleo se transforma num próton, num elétron e num antineutrino. Os reatores foram, aliás, a primeira fonte de neutrinos já detectada, no experimento de Cowan e Reines de 1956. Desde então, ajudaram a medir como os neutrinos oscilam — mudam de tipo enquanto viajam.
A colaboração Super-Kamiokande, cerca de 250 físicos do Japão, dos Estados Unidos, da Europa, da Coreia, da China, do Canadá e de outros lugares, anuncia agora que seu detector também os vê.
Um tanque feito para presas maiores
O Super-Kamiokande é um detector de água de 50 quilotoneladas, 1.000 metros abaixo da terra na mina de Kamioka, no Japão. Seu volume interno contém 32.000 toneladas de água vigiadas por 11.129 sensores de luz, cada um com 20 polegadas de diâmetro. Uma partícula carregada rápida que atravessa a água emite um tênue cone de luz, a luz Cherenkov, a partir do qual se podem reconstruir sua posição, direção e energia.
Os antineutrinos de reatores, porém, carregam apenas alguns milhões de elétron-volts. Nessa faixa de baixa energia, um clarão isolado se perde facilmente em meio à radioatividade natural e aos detritos dos raios cósmicos.
Uma pitada de gadolínio
O truque é uma assinatura em dois tempos. Quando um antineutrino atinge um próton na água, produz um pósitron, que brilha imediatamente, e um nêutron, que vagueia, desacelera e acaba capturado por um núcleo. Capturado pelo hidrogênio, o nêutron libera um único raio gama de 2,2 MeV, difícil de ver. Capturado pelo gadolínio, libera uma cascata de raios gama que totaliza cerca de 8 MeV, fácil de ver.
Assim, em julho de 2020, 13 toneladas de sulfato de gadolínio foram dissolvidas na água (0,011% em massa); em junho de 2022, foram acrescentadas mais 27 toneladas (0,033%). Cerca de metade dos nêutrons, depois cerca de três quartos, são agora capturados pelo gadolínio, em aproximadamente 120 e depois 60 microssegundos. Um gatilho rápido por software capta elétrons a partir de cerca de 2,5 MeV com eficiência próxima de 100%.
Escutando a baía de Wakasa
Várias usinas ficam a cerca de 200 km do detector, sobretudo no Japão, com uma pequena contribuição da Coreia. As ativas mais próximas estão na baía de Wakasa: Mihama 3 (146 km), Ohi 3 e 4 (179 km) e Takahama 1 a 4 (191 km). Entre 2020 e 2023, muitas delas estavam funcionando ou sendo religadas. O fluxo esperado foi calculado mês a mês a partir da carga declarada de cada reator, usando a base de dados de reatores da Agência Internacional de Energia Atômica.
O ruído de fundo vem dos geoneutrinos — antineutrinos produzidos pela própria radioatividade da Terra —, de coincidências fortuitas e de detritos radioativos deixados pelos múons cósmicos. Para medi-lo, a equipe aproveitou uma janela de sorte: em novembro e dezembro de 2020, os principais reatores da baía de Wakasa estavam desligados ou em processo de desligamento. Os dados desses dois meses são quase puro ruído de fundo.
A análise cobre 411,52 dias de tempo útil, de fevereiro de 2021 a setembro de 2023. Um classificador de aprendizado de máquina e cortes no tempo (menos de 80 microssegundos) e na distância (menos de 2 metros) entre os dois clarões selecionam os pares candidatos.
Um sinal que segue os reatores
A taxa mensal de eventos acompanha a atividade dos reatores e concorda com a previsão que inclui as oscilações. Um mundo sem antineutrinos de reatores é rejeitado com uma significância de cerca de 6 sigma: a primeira observação de antineutrinos de reatores no Super-Kamiokande. O artigo não informa o número total de eventos selecionados.
A partir do espectro de energia, a equipe extrai dois parâmetros de oscilação: sin²θ₁₂ = 0,500 ± 0,155 e Δm²₂₁ = (9,08 +0,55/−0,54) × 10⁻⁵ eV².
Neutrinos e antineutrinos, lado a lado
O Super-Kamiokande também mede neutrinos do Sol, que são matéria, não antimatéria. Comparar os dois é um teste de uma simetria fundamental da física, chamada CPT. Os valores diferem em cerca de 1,1 sigma para o ângulo e 2,2 sigma para a diferença de massa; no conjunto, os dois grupos de dados são compatíveis ao nível de 1,9 sigma — nenhum sinal estatisticamente significativo de diferença. Combinados, dão sin²θ₁₂ = 0,332 (+0,028/−0,026) e Δm²₂₁ = (8,94 +0,46/−0,47) × 10⁻⁵ eV².
O preprint, submetido à Physical Review Letters, contém uma incoerência: o teste de compatibilidade aparece como Δχ² = 7,25 no texto principal e 7,64 no apêndice, ambos citados como 1,9 sigma. Os autores concluem que a água carregada de gadolínio transforma um tanque Cherenkov gigante num detector funcional de antineutrinos de alguns milhões de elétron-volts, com potencial para futuras medições nessa faixa de energia.