La medición más precisa del espectro energético de antineutrinos de reactores nucleares, realizada en conjunto con académicos de la UC, revela una intrigante sorpresa

Daya Bay detecta discrepancias con las predicciones teóricas y entrega importantes datos para futuros experimentos.

Miembros del proyecto de colaboración internacional Daya Bay, que siguen la pista a la producción y al comportamiento cambiante de los antineutrinos electrónicos generados en un complejo de reactores nucleares en China, obtuvieron la medición más precisa del espectro energético de estas partículas subatómicas. En el proyecto trabaja activamente Juan Pedro Ochoa, académico del Instituto de Física de la Universidad Católica.

Con los datos obtenidos, a partir de la muestra más grande de antineutrinos de reactores nucleares en el mundo, surgen dos discrepancias con las predicciones teóricas y entregan una importante medición que afectará a futuros experimentos con antineutrinos de reactores nucleares. Los resultados se publicaron en el Physical Review Letters.

Se espera que el estudio del comportamiento de los neutrinos descubra muchos secretos de la física, incluyendo detalles sobre la historia, composición y destino de nuestro universo. Los neutrinos fueron unas de las partículas más abundantes en el momento del Big Bang y aún hoy se generan en grandes cantidades en las reacciones nucleares que ocurren en las estrellas y en las colisiones de rayos cósmicos con la atmósfera terrestre.

Los neutrinos también se emiten producto de las reacciones que ocurren en reactores nucleares, lo que le da a los científicos una poderosa forma de estudiarlos en la Tierra y en un ambiente controlado. De hecho, fue el estudio de las partículas emitidas por reactores lo que llevó a la primera detección de neutrinos en los años cincuenta, algo que era considerado imposible debido a la extrema naturaleza inerte de estas partículas. Desde esa época los experimentos con reactores, incluyendo Daya Bay, han jugado un papel crucial en dilucidar los secretos de la oscilación de neutrinos -su tendencia a cambiar entre tres tipos o 'sabores' conocidos: electron, muón y tau- así como de otras de sus propiedades.

Un factor crucial para muchos de estos experimentos es saber cuántos antineutrinos son emitidos, en total, en estas reacciones nucleares (el flujo), así como cuántos son producidos a energías particulares (el espectro energético o la distribución de energía). En los primeros estudios, los científicos se basaron en cálculos u otros medios indirectos -como la medición de espectros de electrones a partir de los materiales de combustión nuclear- para estimar estos números, basados en su entendimiento de la complejidad del proceso de fisión en el núcleo del reactor. Estos métodos tienen una fuerte dependencia de los modelos teóricos.

Ahora, la colaboración Daya Bay entrega la medición experimental más precisa del mundo de la energía de estas elusivas partículas, así como una nueva medición del flujo total de antineutrinos de un reactor nuclear. Los datos se consiguieron analizando más de 300,000 antineutrinos recolectados en 217 días. Lo más desafiante de este trabajo fue calibrar de forma exacta la respuesta energética de los detectores, algo en lo que el equipo liderado por el académico de la UC Juan Pedro Ochoa-Ricoux jugó un rol fundamental. A través de un dedicado esfuerzo de calibración y análisis, Daya Bay fue capaz de medir la energía de un neutrino con un nivel de precisión sin precedentes, mejor que un 1% sobre el amplio rango de energías.

El espectro del antineutrinos medido muestra una característica sorprendente: un exceso de antineutrinos a una energía de alrededor de 5 millones de electrón-voltios (MeV) sobre las expectativas teóricas. Esto representa una desviación de alrededor del 10% entre las mediciones experimentales y los cálculos basados en modelos teóricos -mucho más allá de las incertidumbres- que llevan a una discrepancia de hasta cuatro desviaciones estándar. "Esta discrepancia inesperada indica claramente que los modelos teóricos necesitan ser mejorados", indicó Juan Pedro Ochoa-Ricoux, académico de la UC y líder del equipo Chileno en Daya Bay. Otros dos experimentos han mostrado un exceso similar a este nivel de energía, aunque con menos precisión que los nuevos resultados de Daya Bay.

Esta desviación muestra la importancia de contar con una medición directa del espectro del antineutrinos de reactores nucleares, particularmente para experimentos que utilizan el espectro para hacer otras mediciones. "Se espera que la medición realizada por Daya Bay mejore conforme se acumulen más datos y conforme se entienda aún mejor la respuesta del detector, algo que será esencial para la próxima generación de experimentos como JUNO", comentó Ochoa-Ricoux. JUNO es un experimento que se está construyendo a 200 kilómetros de Daya Bay, y en el que el equipo de Ochoa-Ricoux también está involucrado.

La medición de Daya Bay del flujo de antineutrinos -el número total de antineutrinos emitidos a través de todo el rango de energías- indica que los reactores están produciendo un 6% menos de lo esperado en base a las predicciones teóricas, un resultado que es consistente con mediciones que se han hecho en el pasado. Este déficit ha sido bautizado como la "anomalía de los antineutrinos de reactores nucleares". La discrepancia podría surgir de la imperfección del modelo o, más curiosamente, podría ser el resultado de una oscilación que involucra a un nuevo tipo de neutrino -el llamado 'neutrino estéril'- postulado en algunas teorías, pero que aún no ha sido detectado. Sin embargo, todavía se debate si la anomalía existe o no.

Sobre Daya Bay

El complejo nuclear Daya Bay está ubicado en la costa sur de China, 55 kilómetros al noreste de Hong Kong. Cuenta con seis reactores nucleares, cada uno de los cuales produce 2.9 gigawatts de energía térmica. Cada segundo, los seis reactores emiten 3.500 billones de billones de antineutrinos electrónicos. Para esta medición, el experimento Daya Bay utilizó seis detectores ubicados entre 360 metros y 1,9 kilómetros de distancia de los reactores. Cada detector contiene veinte toneladas de líquido centelleante dopado con gandolinio que sirve para atrapar los antineutrinos.

El experimento Daya Bay está conformado por investigadores de China, Estados Unidos, República Checa, Rusia, Taiwan, Hong Kong, y Chile.

Información de contacto

Jun Cao, co-spokesperson, IHEP, +86-10-88235808, caoj@ihep.ac.cn

Kam-Biu Luk, co-spokesperson, UC Berkeley and Lawrence Berkeley National Laboratory, 510-642-8162, 510-486-7054, k_luk@berkeley.edu

Para más información visitar: http://dayabay.ihep.ac.cn/