El hallazgo que tardó 50 años: un detector de tres kilos atrapó neutrinos en un reactor y registró un choque inédito

Un detector de germanio de solo tres kilos en un reactor suizo ha registrado por primera vez un rarísimo tipo de choque de neutrinos, cumpliendo una predicción de 1974 y abriendo nuevas posibilidades para la física y el control nuclear.

Publicado por Eugenio M. Fernández Aguilar

Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital

Blindaje del experimento CONUS+, diseñado para aislar el detector de neutrinos de radiación y otras interferencias dentro de una central nuclear. Fuente: ChatGPt + Nature

En lo profundo de una central nuclear suiza, un grupo de físicos ha conseguido lo que parecía inalcanzable: detectar una señal extremadamente débil de partículas que, pese a atravesar todo a su paso, casi nunca dejan rastro. Los protagonistas son los neutrinos, partículas elementales tan escurridizas que cada segundo atraviesan nuestro cuerpo en cantidades astronómicas sin que lo notemos. Lo asombroso de este logro no es que se haya detectado un neutrino —eso ya se consiguió hace décadas—, sino que se ha observado en un reactor nuclear un tipo muy concreto y raro de interacción que llevaba medio siglo resistiéndose a la observación en estas condiciones.

El experimento, llamado CONUS+, se realizó en el reactor de Leibstadt, en Suiza, con un detector de apenas tres kilogramos de masa activa. En palabras de sus autores, se trata de la “primera observación de una señal de neutrinos con una significancia estadística de 3,7σ” en este contexto, un dato que certifica la solidez del hallazgo. El estudio, publicado en Nature, no solo confirma una predicción formulada en 1974, sino que abre el camino a nuevas formas de explorar la física fundamental e incluso a posibles aplicaciones tecnológicas en vigilancia y control de reactores.

Un tipo de interacción casi imposible de atrapar

En física de partículas, no todos los choques son iguales. Lo que se ha conseguido medir en CONUS+ se llama dispersión coherente elástica de neutrinos con núcleos atómicos (CEvNS). A diferencia de interacciones más comunes, aquí el neutrino no golpea una partícula aislada dentro del núcleo, sino que interactúa con el conjunto de protones y neutrones como si fuera una única entidad. Este proceso aumenta la probabilidad de que se produzca el choque, pero la energía transferida es tan mínima que resulta extremadamente difícil de registrar.

La idea fue propuesta teóricamente por Daniel Z. Freedman en 1974. Sin embargo, no fue hasta 2017 cuando se observó por primera vez, y ocurrió en un acelerador de partículas, no en un reactor. Detectarlo en este último entorno es un reto diferente: los neutrinos del reactor tienen energías más bajas, lo que en principio favorece la coherencia completa del choque, pero obliga a contar con detectores extremadamente sensibles.

El detector de CONUS+ está hecho de cristales de germanio ultrapuro, capaces de registrar energías de apenas 160 electronvoltios. Según el artículo, “este umbral es solo dos órdenes de magnitud mayor que la energía mínima necesaria para crear un par electrón-hueco”, un logro técnico que ha requerido años de desarrollo.

Gráficos que muestran cómo los datos del experimento encajan con las predicciones y revelan la señal de neutrinos a bajas energías. Fuente: Nature

El camino hasta Suiza

El proyecto comenzó en Alemania, en la central nuclear de Brokdorf, donde operó bajo el nombre de CONUS. Entre 2018 y 2022, los investigadores realizaron mediciones que establecieron límites muy precisos a la interacción buscada, pero sin llegar a detectarla. El cierre de esa central llevó a trasladar el experimento en 2023 al reactor de Leibstadt, de 3,6 gigavatios térmicos.

El nuevo emplazamiento implicó retos adicionales: el nivel de protección frente a la radiación cósmica es menor que en laboratorios subterráneos, y el entorno dentro del edificio del reactor impone restricciones de espacio, materiales y acceso. Aun así, las mejoras en el umbral de energía de los detectores y en su eficiencia de disparo permitieron multiplicar por casi diez la tasa prevista de interacciones.

Durante 119 días de operación con el reactor encendido, combinados con periodos de apagado para calibrar el fondo, los investigadores registraron un exceso de 395 ± 106 eventos atribuibles a neutrinos, en línea con las predicciones teóricas del Modelo Estándar.

Cómo se mide lo invisible

Observar CEvNS en un reactor implica diferenciar la señal de neutrinos de un fondo de eventos que la supera ampliamente. La mayor parte de estos eventos de fondo procede de rayos cósmicos y de la radiactividad ambiental, que pueden producir señales indistinguibles si no se filtran adecuadamente.

El equipo de CONUS+ empleó un blindaje de diez toneladas que combina plomo, polietileno y capas dopadas con boro, además de un sistema activo de veto con centelleadores plásticos para detectar el paso de muones cósmicos. El análisis de datos se hizo mediante un ajuste de máxima verosimilitud, comparando los espectros medidos con el reactor encendido y apagado.

Según el artículo, “el resultado implica la concordancia de los datos de CONUS+ con la sección eficaz de CEvNS del Modelo Estándar y con el flujo de antineutrinos estimado a partir de la potencia térmica del reactor”. Esto significa que, además de observar la interacción, han validado que el número de eventos coincide con lo previsto por la física conocida.

Por qué importa este hallazgo

Más allá de confirmar una predicción de hace 50 años, la medición abre nuevas vías para estudiar física dentro y fuera del Modelo Estándar. La dispersión coherente es sensible a todos los tipos de neutrinos, no solo a los electrones antineutrinos que se detectan con la técnica estándar de desintegración beta inversa. Esto permite investigar propiedades como posibles interacciones no estándar o la existencia de partículas mediadoras nuevas.

En un plano más práctico, detectores compactos como el de CONUS+ podrían usarse para monitorizar en tiempo real el funcionamiento de reactores nucleares, midiendo su potencia o la composición de sus isótopos combustibles sin necesidad de acceso intrusivo. También podrían desempeñar un papel en experimentos de astrofísica o en la detección de neutrinos procedentes de supernovas.

Por qué importa este hallazgo

Más allá de confirmar una predicción de hace 50 años, la medición abre nuevas vías para estudiar física dentro y fuera del Modelo Estándar. La dispersión coherente es sensible a todos los tipos de neutrinos, no solo a los electrones antineutrinos que se detectan con la técnica estándar de desintegración beta inversa. Esto permite investigar propiedades como posibles interacciones no estándar o la existencia de partículas mediadoras nuevas.

En un plano más práctico, detectores compactos como el de CONUS+ podrían usarse para monitorizar en tiempo real el funcionamiento de reactores nucleares, midiendo su potencia o la composición de sus isótopos combustibles sin necesidad de acceso intrusivo. También podrían desempeñar un papel en experimentos de astrofísica o en la detección de neutrinos procedentes de supernovas.