The Daya Bay Antineutrino Detector. CRÉDITO: IFIC.

Un grupo de investigadores del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del
Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universitat de València, ha
publicado en la revista Physical Review Letters la primera comparación entre los datos
del flujo de antineutrinos producidos por la central nuclear de Daya Bay (China) y la
medida de esta magnitud realizada en laboratorio con una técnica y un detector
desarrollados en Valencia. Sus resultados reducen la discrepancia entre los
antineutrinos esperados y los que se detectan en un 4%, confirmando que esta anomalía
responde a un error en los cálculos utilizados para estimar los antineutrinos producidos
en un reactor nuclear, la principal fuente de esta partícula elemental. Se descartan así
otras explicaciones a la discrepancia que apuntaban a la existencia de un nuevo tipo de
neutrino, llamado ‘estéril’. Los resultados del trabajo explican satisfactoriamente los
datos y medidas experimentales sin necesidad de incorporar nueva física.
La investigación ha sido liderada por los investigadores Alejandro Algora y José Luis Taín,
del IFIC, y la investigadora Muriel Fallot, de Subatech (Francia). El trabajo publicado
ahora supone la culminación a una década de experimentos, realizados mediante la
técnica conocida como Espectroscopía Gamma de Absorción Total (TAGS, por sus siglas en inglés) utilizando un detector diseñado en el IFIC, DTAS. Este instrumento registra los
fotones (radiación gamma) emitidos en la desintegración beta, uno de los procesos que
ocurren durante la fisión atómica que produce energía nuclear. La desintegración beta
genera ingentes cantidades de antineutrinos, la réplica de antimateria del neutrino, una
de las partículas elementales más abundantes del universo.
En un reactor se producen más de 6.000 desintegraciones beta diferentes a partir de
más de 1.000 productos de fisión, pero solo una veintena de estos es responsable de
gran parte de la cantidad de antineutrinos que genera el proceso. Los integrantes del
Grupo de Espectroscopía Gamma y de Neutrones del IFIC han medido las
desintegraciones beta de 17 de estos isótopos pertenecientes a elementos como
tecnecio, molibdeno, rubidio, bromo o niobio. “Algunos de estos elementos, llamados
refractarios, son muy difíciles de obtener, por lo que fue necesario realizar las medidas
en la instalación IGISOL de Finlandia”, comenta Alejandro Algora.
Mediante la utilización del ‘método suma’ (SM) para combinar los resultados, han
obtenido la distribución de los antineutrinos producidos en el ciclo vital de los
principales combustibles nucleares, como el uranio 235 y el plutonio 239. “Este método
no introduce en los cálculos ninguna renormalización y no sufre del denominado ‘efecto
Pandemonio’”, explica José Luis Taín. Este efecto se produce por la utilización de
detectores de germanio, que falsean la energía de las desintegraciones beta
aumentando también la deducida de los antineutrinos emitidos. “Además, las medidas
en las que está basado el modelo que se utiliza actualmente para calcular el espectro de
antineutrinos fueron tomadas en los años ochenta y no se han vuelto a repetir”,
recuerda el investigador.
Este modelo, denominado ‘Huber-Mueller’, establece un flujo de antineutrinos para un
reactor nuclear que no se corresponde con las mediciones. La discrepancia entre la
predicción del modelo y las observaciones llega a un 6%, “un error demasiado grande”,
según Taín. Este hecho, denominado ‘anomalía de los antineutrinos de los reactores
nucleares’, es vital para experimentos como Daya Bay (China), RENO (Corea del Sur) y
Double Chooz (Francia), que utilizan el flujo de antineutrinos producido por las centrales
nucleares para medir las ‘oscilaciones de neutrinos’ (fenómeno por el que los neutrinos
se transforman durante su recorrido en alguno de los tres tipos que se conocen).
La causa más obvia para explicar la anomalía es un error en los datos de referencia. Sin
embargo, otras explicaciones apuntaban a la existencia de un nuevo tipo de neutrino,
llamado ‘neutrino estéril’, que además podría explicar la materia oscura en el universo.
Ahora, el grupo de investigación del IFIC ha aplicado el método suma combinado con
espectroscopía gamma de absorción total a 17 de los isótopos más relevantes para la
producción de antineutrinos en las desintegraciones beta de los principales
combustibles nucleares. Al comparar estos resultados con los antineutrinos detectados
por Daya Bay, consiguen reducir la discrepancia hasta un 2%.
Los resultados publicados en Physical Review Letters descartan que la anomalía de los
antineutrinos de las centrales nucleares tenga su origen en una nueva clase de neutrino
aún por descubrir. Según José Luis Taín, esto demuestra que el método de suma
combinado con espectroscopía gamma de absorción total es adecuado para calcular el
espectro de antineutrinos producido en las desintegraciones beta del combustible
nuclear. Así, este método podría mejorar los cálculos de la potencia obtenida en los
reactores nucleares, además de contribuir al diseño de herramientas más eficaces
contra la proliferación nuclear no controlada.
Aún está por determinar el impacto que estas medidas pueden tener en el estudio de
las oscilaciones de neutrinos en experimentos como Daya Bay, hasta ahora el que ha
estudiado el fenómeno con mayor precisión. “El estudio también es relevante para
experimentos de oscilaciones de antineutrinos de nueva generación como JUNO, que se
construye actualmente en China y busca entender mejor la naturaleza de las llamadas
‘partículas fantasma’”, apunta Alejandro Algora.
Referencia:
M. Estienne, M. Fallot, A. Algora, J. Briz-Monago, V. M. Bui, S. Cormon, W. Gelletly, L. Giot, V.
Guadilla, D. Jordan, L. Le Meur, A. Porta, S. Rice, B. Rubio, J. L. Taín, E. Valencia, and A.-A.
Zakari-Issoufou. Updated Summation Model: An Improved Agreement with the Daya Bay
Antineutrino Fluxes. Phys. Rev. Lett. 123, 022502. Published 9 July 2019. DOI:
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.022502
Más información:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.022502

 

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