Un misterio de física ha llegado a su fin, con una resolución tan impactante como «lo hizo el mayordomo». Durante una década, los físicos se han preguntado por qué los reactores nucleares expulsan menos partículas llamadas neutrinos de lo previsto. Algunos sugirieron que los escurridizos fragmentos de materia podrían estar transformándose en neutrinos «estériles» más extraños e indetectables. En cambio, los nuevos resultados precisan lo que otros experimentos habían sugerido: que los teóricos sobreestimaron cuántos neutrinos debería producir un reactor.
“Este no es un resultado sorprendente, pero es importante”, dice Georgia Karagiorgi, física de partículas de la Universidad de Columbia que no participó en el trabajo. “Todavía es algo que quería ver”.
Los neutrinos vienen en tres tipos: electrón, muón y tau, dependiendo de cómo se produzcan. Los neutrinos electrónicos brotan del Sol, los neutrinos muónicos llueven del cielo cuando los rayos cósmicos golpean la atmósfera, y los neutrinos tau emergen en la descomposición de las partículas tau, que pueden crearse con colisionadores de átomos. Las partículas casi sin masa cambian de tipo a medida que vuelan, por lo que un neutrino electrónico del Sol puede convertirse en otra variedad antes de llegar a la Tierra.
Algunos experimentos han sugerido que podría haber un cuarto neutrino estéril. Incapaz de interactuar con la materia ordinaria, solo emergería cuando un neutrino ordinario se transforme en él. Algunos resultados anómalos insinuaron un neutrino estéril con una masa de aproximadamente 1 electrón voltio (eV), al menos 10 veces más que el peso de los neutrinos ordinarios.
Esas pistas recibieron un apoyo inesperado en 2011 cuando dos grupos de teóricos calcularon que los reactores nucleares producían un 6 % menos de neutrinos electrónicos (en realidad, antineutrinos electrónicos) de lo que predecía la teoría. Los hallazgos sugirieron que los neutrinos faltantes se estaban convirtiendo en estériles.
Era un argumento complicado. En el núcleo de un reactor, los núcleos de uranio y plutonio se dividen en una reacción en cadena, y los antineutrinos provienen de la “desintegración beta” radiactiva de los núcleos más ligeros que quedan atrás. En tal decaimiento, un neutrón en un núcleo se transforma en un protón mientras emite un electrón y un antineutrino electrónico. Para predecir el flujo total de antineutrinos, los físicos tuvieron que tener en cuenta las cantidades y desintegraciones de una miríada de núcleos diferentes.
Esa contabilidad apuntaba a un déficit, pero en 2017, los físicos del Experimento de Neutrinos del Reactor de Daya Bay en China lo pusieron en duda. Estudiaron antineutrinos de seis reactores comerciales, quemando combustible con 4% de átomos de uranio-235, que pueden sostener una reacción en cadena, y 96% de átomos de uranio-238, que no pueden. A medida que se consume el uranio-235, los neutrones de su fisión convierten el uranio-238 en plutonio-239, que también sufre una reacción en cadena. Los físicos de Daya Bay descubrieron que el déficit de antineutrinos se reducía a medida que caía la cantidad de uranio-235, lo que sugiere que los teóricos habían sobreestimado el flujo de antineutrinos que se originaba en el uranio-235.
Ahora, los físicos que trabajan en un pequeño reactor de investigación en Francia han confirmado esa sospecha. El reactor del Instituto Laue-Langevin (ILL) produce abundantes neutrones para estudios de materiales. También utiliza combustible que contiene 93% de uranio-235. Entonces, al estudiar los antineutrinos de él, los investigadores que trabajan con un detector de neutrinos llamado STEREO podrían medir el flujo de antineutrinos del uranio-235 solo.
El detector consta de seis segmentos llenos de aceite idénticos alineados como dientes y que abarcan una distancia de 9 a 11 metros desde el núcleo del reactor. En raras ocasiones, un protón en el aceite absorberá un antineutrino electrónico para convertirse en un neutrón mientras expulsa un positrón, algo así como lo contrario de la desintegración beta. A medida que el positrón atraviesa el aceite, produce luz en proporción a la energía del neutrino original.
Los investigadores de STEREO demostraron que el espectro de energías de los antineutrinos electrónicos se mantuvo igual a medida que aumentaba la distancia desde el núcleo. Esa observación choca con la idea de que algunos se están transformando en neutrinos estériles, porque los neutrinos de menor energía deberían transformarse más rápido que los de mayor energía, cambiando el espectro a medida que avanzan los neutrinos. Los investigadores de STEREO también demostraron que el flujo total de antineutrinos del uranio-235 era más bajo que el utilizado en los modelos de los teóricoscomo informan hoy en Naturaleza.
En conjunto, las observaciones pusieron fin al déficit de antineutrinos del reactor como evidencia de un neutrino estéril de 1 eV, dice David Lhuillier, físico de neutrinos de la Comisión de Energía Atómica de Francia y portavoz del equipo STEREO de 26 miembros. “¿Se puede explicar por un neutrino estéril de masa alrededor de 1 eV? La respuesta es no.»
Otros experimentos, como uno llamado PROSPECT en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, habían llegado a conclusiones similares, señala Lhuillier. Aún así, el nuevo artículo de STEREO tiene incertidumbres menores y envuelve el argumento en un paquete ordenado, dice Bryce Littlejohn, físico de neutrinos en el Instituto de Tecnología de Illinois y colaborador de PROSPECT. “A diferencia de un momento decisivo, lo veo como un buen resumen de todas las cosas que hemos aprendido”.
Los físicos tienen una fuerte sospecha de cómo exactamente sobreestimaron el flujo de antineutrinos que se originan en el uranio-235. A fines de la década de 1980, los investigadores del ILL expusieron láminas de plutonio-239 y uranio-235 a los neutrones del reactor para inducir la división de los átomos. Luego contaron los electrones de la desintegración beta de los fragmentos de fisión y midieron el espectro de energía de los electrones. Dos décadas después, los teóricos utilizaron esos datos para inferir el espectro de los antineutrinos que debían emerger junto con los electrones.
Sin embargo, múltiples líneas de evidencia ahora sugieren que esos experimentos pueden haber sobreestimado la cantidad total de electrones provenientes de la muestra de uranio-235, dice Patrick Huber, físico teórico del Instituto Politécnico y la Universidad Estatal de Virginia y uno de los teóricos que identificaron el so- denominada anomalía del antineutrino del reactor. «Es simplemente que los datos de entrada que hemos estado usando estaban equivocados».
La resolución del misterio del neutrino del reactor no descarta por completo la existencia del neutrino estéril de 1 eV, señala Zahra Tabrizi, física teórica de partículas de la Universidad Northwestern. “Todavía tenemos otras anomalías en la física de neutrinos que no podemos explicar”, dice ella. Pero tomando todos los estudios de neutrinos juntos, dice Huber, la evidencia del neutrino estéril no es muy fuerte: «No es un buen ajuste global a los datos».