La Traca #7 Luciérnagas: Anomalía de los antineutrinos de reactores nucleares

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Ya está disponible el podcast #7 de La Traca (de la Ciencia), mi sección en el programa de radio Luciérnagas de Dante Cáceres. Divulgación científica en la Radiotelevisión Diocesana, en el canal de Radio Santa María de Toledo. Se emite todos los martes a las 22:40 horas (hora de Madrid), los miércoles a las 03:00 horas y los domingos a las 24:00 horas.

La anomalía de los antineutrinos de reactores. En enero de 2011 se publicaron los primeros indicios de una anomalía en los antineutrinos producidos en reactores de fisión comerciales. La producción de antineutrinos en los reactores nucleares es debida a la desintegración beta, la transformación de un neutrón en un protón en el interior del núcleo inestable de un elemento radiactivo con la consiguiente emisión de un electrón y un antineutrino, con lo que el nucleido (A,Z) se transforma en (A,Z+1). Un análisis del flujo de neutrinos en reactores nucleares en 19 medidas diferentes en varios detectores de neutrones encontró un defecto del orden del 3% en el flujo de antineutrinos producido por los isótopos radiactivos 235U, 239Pu, 241Pu y 238U. La anomalía era pequeña a principios de 2011, solo 2,2 σ, pero crecía hasta las 3,0 σ a finales de año.

El exceso fue observado en Dooble Chooz Collaboration, “Improved measurements of the neutrino mixing angle θ13 with the Double Chooz detector,” JHEP 10: 086 (2014), doi: 10.1007/JHEP10(2014)086, arXiv:1406.7763 [hep-ex]; Reno Collaboration, “Observation of Energy and Baseline Dependent Reactor Antineutrino Disappearance in the RENO Experiment,” arXiv:1511.05849 [hep-ex]; y Daya Bay Collaboration, “Measurement of the Reactor Antineutrino Flux and Spectrum at Daya Bay,” Phys. Rev. Lett. 116: 061801 (2016), doi: 10.1103/PhysRevLett.116.061801, arXiv:1508.04233[hep-ex].

Más información en este blog: “La anomalía de los antineutrinos en los reactores nucleares y los neutrinos estériles”, LCMF, 25 Ago 2011; “La anomalía de los antineutrinos en reactores nucleares”, LCMF, 29 Feb 2016; “Dos noticias negativas sobre neutrinos, de GERDA y Daya Bay”, LCMF, 06 Abr 2017.

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La anomalía podía ser una fluctuación estadística, o un efecto debido a errores sistemáticos en la interpretación teórica del flujo esperado. Pero como había sido observada en 19 medidas diferentes parecía que podía ser una señal de nueva física más allá del modelo estándar. Por supuesto, muchos físicos teóricos ofrecieron soluciones exóticas, como que la causa eran dimensiones extra del espaciotiempo. Sin embargo, lo más obvio era asumir que su origen era la existencia de un cuarto neutrino estéril, que podrían ser un candidato a explicar la materia oscura del universo (la llamada materia oscura cálida en lugar de fría se podría explicar con un neutrino con una masa en el rango entre 1,7 y 6,3 keV). Se conocen tres familias de neutrinos (2,9840 ± 0,0082 según LEP), pero podría haber más familias si su masa es mayor que la masa del bosón Z. Estos neutrinos serían inmunes a la interacción débil, por ello se llaman estériles, y no habrían sido detectados por LEP.

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La desintegración de neutrinos estériles en neutrinos (mucho más ligeros) podría explicar algunas señales astrofísicas en rayos X observadas por Chandra, el Observatorio Espacial de Rayos X de la NASA. Los análisis del fondo cósmico de microondas de WMAP-7 eran compatibles con la existencia de 3+1 neutrinos (aunque no descartan que haya solo 3 neutrinos). Además, resultados preliminares de IceCube se interpretaban mejor con 3+1 neutrinos, aunque tampoco descartan que haya solo 3 neutrinos. Muchos resultados experimentales están a favor de la existencia de los neutrinos estériles y muchos otros están en contra. Por ejemplo, la aniquilación de neutrinos estériles con una masa de unos 7,1 keV podría explicar la señal picada en 3,5 keV observada en febrero de 2014 por el telescopio espacial de rayos X de la ESA llamado XMM-Newton (X-ray Multi-Mirror Mission). Los resultados para antineutrinos en el experimento MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment) en el Fermilab apuntan también apuntaban hacia 4 familias de neutrinos.

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Tres detectores de antineutrinos generados en reactores nucleares de fisión observaron una anomalía. Double Chooz (2014), Reno (2015) y Daya Bay (2016) observaron un defecto de ~6% en el número de antineutrinos con energía de unos 5 MeV detectados. Algunos físicos han sugerido que la explicación es la existencia de un neutrino estéril y, por tanto, nueva física más allá del modelo estándar.

En el contexto de la física de consenso todo apuntaba a que el origen de esta anomalía era el modelo teórico usado para describir las desintegraciones beta en la fisión nuclear en el reactor, el modelo teórico de Huber. El modelo teórico de consenso usado en estos detectores se basa en la desintegración de los isótopos fisibles U-235, U-238, Pu-239 y Pu-241, que debe representar más del 99% de la emisión total de antineutrinos. Sin embargo, en el núcleo del reactor también se producen más de 6000 desintegraciones beta diferentes en más de 1000 isótopos. Los primeros cálculos ab initio que tienen en cuenta dichas desintegraciones ajustan bastante bien el exceso observado. Bastan unas 20 desintegraciones para explicar el exceso y entre ellas destacan las de los isótopos Rb-92 y Y-96. Por supuesto, todavía no se ha desarrollado un nuevo modelo teórico de consenso (que incorpore el número mínimo de desintegraciones imprescindibles para explicar el exceso). No creo que falte mucho tiempo para ello.

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En abril de 2017 el detector de neutrinos Daya Bay descartó que un neutrino estéril sea la causa de la anomalía de los antineutrinos de reactores nucleares. La diferencia entre los antineutrinos observados debidos al U-235, U-238, Pu-239, y Pu-241 indica que la causa de la anomalía es un error sistemático en el modelo de Huber que estima los antineutrinos producidos por la fisión del U-235. El nuevo resultado de Daya Bay ha estudiado cómo varían los antineutrinos producidos por los isótopos fisibles U-235, U-238, Pu-239 y Pu-241 entre los años 2012 y 2015. El modelo teórico de los antineutrinos producidos por un reactor es muy complicado (hay que tener en cuenta miles de desintegraciones beta de diferente tipo). El modelo teórico estándar se basa en considerar las desintegraciones más relevantes de los cuatro isótopos más abundantes. Daya Bay ha logrado separar las contribuciones de estos isótopos y ha observado que la anomalía de antineutrinos entre el U-235 y el Pu-239 es diferente y apunta a que la predicción del modelo de Huber para el U-235 es incorrecta (a unas 3 sigmas). Por tanto, la causa más razonable de la anomalía de los antineutrinos es una estimación errónea de la contribución del U-235.

Al final la anomalía fue resultado de errores sistemáticos en el modelo teórico usado para predecir el flujo esperado de antineutrinos.


2 Comentarios

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josé enrique amarojosé enrique amaro

Los modelos teóricos de reacciones en núcleos complejos poseen un error considerable, que se multiplica sobre todo en reacciones en cadena donde intervienen gran número de isótopos. Los modelos “ab initio” son muy costosos y un cálculo ya puede considerarse exitoso cuando describe los datos con un 10% de error. Los modelos estadísticos y Monte Carlo son eso, modelos y no pueden considerarse fiables con la precisión requerida para las medidas tan finas de parámetros del modelo standar o más allá. Lo mismo ocurre con las medidas de los parámetros de oscilación en los aceleradores de neutrinos, donde los modelos nucleares contribuyen a un alto error sistemático.

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