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Artículo publicado por Glenn Roberts Jr. el 12 de febrero de 2016 en Berkeley Lab

Daya Bay detecta discrepancias respecto a las predicciones teóricas para los antineutrinos, lo que proporciona datos importantes para futuros experimentos.

Un equipo internacional, que incluye a investigadores del Berkeley Lab, ha captado las medidas de energía más precisas – y desconcertantes – hasta el momento, de las fantasmales partículas conocidas como antineutrinos de reactor, producidas en un complejo de energía nuclear en China.

Sus medidas, que se basan en los datos generados por la mayor muestra del mundo de antineutrinos de reactor, indican dos interesantes discrepancias respecto a los modelos teóricos. Estas discrepancias, que ayudarán a dar forma a futuros experimentos, podrían apuntar a errores en los modelos actuales y también abrir una posibilidad para la presencia de un tipo exótico de neutrino que no se ha detectado con anterioridad.

Daya Bay Antineutrino Detector

Detector de antineutrinos de Daya Bay Crédito: BNL

Los miembros de la colaboración Daya Bay publicaron sus resultados, basados en un análisis de más de 300 000 antineutrinos producidos en reactores nucleares recopilados a lo largo de 217 días, el 12 de febrero en la revista Physical Review Letters. La colaboración midió la energía de los antineutrinos de reactor con una precisión sin precedente, con un margen de error menor del 1%, a lo largo de un amplio rango de energías. La colaboración incluye a más de 200 científicos procedentes de siete regiones y países.

Estudiar el comportamiento de los esquivos neutrinos, que pueden atravesar la mayor parte de tipos de materia sin verse obstaculizados, tiene el potencial de descubrir muchos secretos de la física, incluyendo detalles sobre la historia, composición, y destino del universo. Los neutrinos y antineutrinos estaban entre las partículas más abundantes del universo en la era del Big Bang, y aún se generan en abundancia en la actualidad en las reacciones nucleares que alimentan a las estrellas, y en las colisiones de rayos cósmicos con la atmósfera terrestre. Billones de neutrinos pasan cada segundo a través de nuestro cuerpo.

Los neutrinos, o más específicamente los antineutrinos, también se emiten como subproducto de la generación de energía en los reactores nucleares fabricados por los humanos, dando a los científicos un potente método de estudiarlos en la Tierra de una forma controlada. De hecho, el estudio de las partículas emitidas por los reactores llevó a la primera detección de los neutrinos en la década de 1950, un hallazgo que durante una época se consideró imposible, debido a que naturaleza extremadamente inerte de estas partículas, que en aquel entonces eran sólo una predicción teórica.

Desde aquel entonces, los experimentos en reactores, incluyendo los de Daya Bay, han desempeñado un papel clave en descubrir los secretos de las oscilaciones de neutrinos —su tendencia a cambiar entre tres sabores conocidos: electrón, muón, y tau — y otras importantes propiedades de los neutrinos.

Las medidas de Daya Bay del flujo de antineutrinos — el número total de antineutrinos emitidos a lo largo de todo el rango de energías — indica que los reactores están produciendo un 6 por ciento menos de antineutrinos globalmente cuando se compara con algunas predicciones basadas en modelos. Este déficit observado se conoce como la “Anomalía de Antineutrinos de Reactor”.

“Nuestro resultado en consistente con anteriores medidas. La anomalía podría deberse a la imperfección de los modelos. O a algo más fascinante, podría proceder de una oscilación que implique al neutrino estéril”, señala Kam-Biu Luk, científico senior en la División de Física del Berkeley Lab y profesor de física en la UC Berkeley. También es coportavoz de la colaboración Daya Bay. Si el conocido como neutrino estéril, propuesto por algunas teorías pero aún no detectado, existe o no, aún es un tema de debate.

El espectro de antineutrinos medido por el reactor también muestra un sorprendente exceso de antineutrinos a una energía alrededor de 5 millones de electrón volts (MeV) en comparación con las expectativas teóricas.

“La discordancia entre nuestra medida y los cálculos teóricos es de aproximadamente un 10 por ciento, lo que corresponde a una relevancia estadística de cuatro desviaciones estándar”, comenta Patrick Tsang, becario de posdoctorado en la División de Física del Berkeley Lab que desempeñó un papel clave en las medidas. Otros dos experimentos han demostrado un exceso similar en esta energía, aunque con menos precisión que el nuevo resultado de Daya Bay.

Tales desviaciones demuestran la importancia de las medidas directas del espectro de antineutrinos de reactor, en particular las de experimentos que usan el espectro para medir las oscilaciones de neutrino, y pueden indicar que necesitan volver a revisarse los modelos subyacentes a estos cálculos.

“Un reciente cálculo del espectro basado en medidas recopiladas en miles de isótopos implicados en el proceso de fisión demostraron encajar mucho mejor con las observaciones”, señala Dan Dwyer, científico de la plantilla de la División de Física del Berkeley Lab, “y sugieren que el exceso de antineutrinos procede de ocho núcleos específicos de vida corta”.

Las medidas en Daya Bay se espera que mejoren con la llegada de más datos, y con una mejor comprensión de la respuesta del detector. Estas medidas mejoradas serán esenciales para la próxima generación de experimentos con neutrinos de reactor, tales como el experimento JUNO que está en construcción a 200 kilómetros de Daya Bay.

Un factor clave para muchos de estos experimentos es conocer cuántos antineutrinos se emiten en total en estas reacciones nucleares, y cuántos se producen a energías concretas, que es lo que se conoce como distribución de energía, o espectro.

En estudios anteriores, los científicos dependían de sus cálculos, o de otros medios indirectos, tales como las medidas del espectro del electrón realizadas en los combustibles nucleares, para estimar estas cifras. Estos métodos tienen una fuerte dependencia de los modelos teóricos de los complejos procesos de fisión en el núcleo del reactor.

La colaboración Daya Bay proporciona ahora la medida más precisa, e independiente de los modelos, del espectro de energía para estas esquivas partículas, y una nueva medida del flujo total de antineutrinos. La parte más compleja del trabajo fue calibrar con precisión la respuesta de energía de los detectores.

“La medida precisa de la energía del antineutrino era una de las claves para este resultado. Cuantificamos cuidadosamente la respuesta de energía de nuestros detectores usando distintos métodos de calibración”, comenta Yasuhiro Nakajima, becario Chamberlain en la División de Física del Berkeley Lab.

El complejo nuclear Daya Bay se sitúa en la costa sureste de China, a 55 kilómetros al noreste de Hong Kong. Consta de tres plantas de energía nuclear, cada una con dos núcleos reactores. Los seis núcleos son reactores  de agua a presión con un diseño similar, y cada uno genera hasta 2,9 gigawatts de energía térmica. Cada segundo, los seis reactores emiten 3,500 trillones de antineutrinos. Para esta medida, el experimento de Daya Bay usó seis detectores situados desde 360 metros a 1,9 kilómetros de los reactores. Cada detector contiene 20 toneladas de un líquido dopado con gadolinio para detectar los antineutrinos de reactor.

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