Enterrada bajo kilómetros de roca en Ontario, Canadá, una reserva del agua más pura brilló cuando partículas apenas detectables atravesaron sus moléculas.
Es la primera vez que se usa agua para detectar una partícula conocida como antineutrino, que se originó en un reactor nuclear a más de 240 kilómetros (150 millas) de distancia. Este increíble avance promete experimentos con neutrinos y tecnología de monitoreo que utilizan materiales económicos, fáciles de adquirir y seguros.
Como algunas de las partículas más abundantes en el Universo, los neutrinos son pequeñas cosas extrañas con mucho potencial para revelar información más profunda sobre el Universo. Desafortunadamente, casi no tienen masa, no tienen carga y apenas interactúan con otras partículas. Fluyen principalmente en el espacio y en la roca, como si toda la materia fuera incorpórea. Hay una razón por la que se llaman partículas fantasma.
Los antineutrinos son la contrapartida antipartícula de los neutrinos. Por lo general, una antipartícula tiene la carga opuesta a su contraparte de partículas; la antipartícula del electrón cargado negativamente, por ejemplo, es el positrón cargado positivamente. Como los neutrinos no tienen carga, los científicos solo pueden distinguirlos basado en el hecho un neutrino electrónico aparecerá junto a un positrón, mientras que un antineutrino electrónico aparecerá con un electrón.
Antineutrinos electrónicos son emitidos durante la desintegración beta nuclear, un tipo de desintegración radiactiva en la que un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino. Uno de estos antineutrinos electrónicos puede interactuar con un protón para producir un positrón y un neutrón, una reacción conocida como desintegración beta inversa.
Se utilizan grandes tanques llenos de líquido revestidos con tubos fotomultiplicadores para detectar este tipo particular de descomposición. Están diseñados para capturar el tenue brillo de Radiación de Cherenkov creado por partículas cargadas que se mueven más rápido de lo que la luz puede pasar a través del líquido, similar al estampido sónico generado al romper la barrera del sonido. Por lo tanto, son muy sensibles a la luz muy débil.
Los antineutrinos se producen en cantidades prodigiosas en los reactores nucleares, pero su energía es relativamente baja, lo que dificulta su detección.
Entrar NSO+. Enterrado bajo más de 2 kilómetros (1,24 millas) de roca, es el laboratorio subterráneo más profundo del mundo. Este escudo de roca proporciona una barrera eficaz contra la interferencia de rayos cósmicos, lo que permite a los científicos obtener señales excepcionalmente bien resueltas.
Hoy, el tanque esférico de 780 toneladas del laboratorio está lleno de alquilbenceno lineal, un centelleador líquido que amplifica la luz. En 2018, mientras se calibraba la instalación, se llenó de agua ultrapura.
Examinando los 190 días de datos recopilados durante esta fase de calibración en 2018, la colaboración SNO+ encontró evidencia de decaimiento beta inverso. El neutrón producido durante este proceso es capturado por un núcleo de hidrógeno en el agua, que a su vez produce una suave floración de luz a un nivel de energía muy específico, 2,2 megaelectronvoltios.
Los detectores de agua Cherenkov generalmente tienen dificultades para detectar señales por debajo de 3 megaelectronvoltios; pero un SNO+ lleno de agua podría detectar hasta 1,4 megaelectronvoltios. Esto produce una eficiencia de alrededor del 50% en la detección de señales a 2,2 megaelectronvoltios, por lo que el equipo pensó que valía la pena buscar signos de desintegración beta inversa.
Un análisis de una señal candidata determinó que probablemente fue producida por un antineutrino, con un nivel de confianza de 3 sigma, o una probabilidad del 99,7 %.
El resultado sugiere que los detectores de agua podrían usarse para monitorear la producción de electricidad de los reactores nucleares.
Mientras tanto, SNO+ se utiliza para ayudar a comprender mejor los neutrinos y antineutrinos. Porque los neutrinos son imposible de medir directamente, no sabemos mucho sobre ellos. Una de las preguntas más importantes es si los neutrinos y los antineutrinos son exactamente la misma partícula. Una descomposición rara y sin precedentes respondería a esta pregunta. SNO+ está investigando actualmente este decaimiento.
«Nos intriga que se pueda usar agua pura para medir antineutrinos en reactores y a distancias tan grandes», dice el físico Logan Lebanowski de la colaboración SNO+ y la Universidad de California en Berkeley.
«Hemos hecho todo lo posible para extraer un puñado de señales de 190 días de datos. El resultado es gratificante».
La investigación ha sido publicada en Cartas de exploración física.
