Els investigadors de l’Institut de Física Corpuscular (IFIC), centre mixt del Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) i la Universitat de València (UV), Gustavo Alcalá i Alejandro Algora, del grup d’Espectroscòpia Gamma i de Neutrons de l’IFIC, han liderat un estudi que ha sigut publicat en la prestigiosa revista Physical Review Letters. L’objectiu d’aquest estudi és comprendre les propietats dels antineutrins emesos en reactors de fissió nuclear.

Els neutrins són partícules subatòmiques fonamentals amb una massa extremadament xicoteta, pròxima a zero, i manquen de càrrega elèctrica, cosa que els fa invisibles als camps electromagnètics. Són les segones partícules més abundants de l’univers, es generen en estrelles i explosions còsmiques, i són capaces de travessar la Terra sense ser detectades. Per aquesta raó, se’ls coneix com «la partícula fantasma».

Cada partícula subatòmica té la seua antipartícula (que té la mateixa massa i espín que la partícula corresponent, però una càrrega elèctrica i un moment magnètic de signe oposat). Els antineutrins, les antipartícules dels neutrins, s’emeten o es produeixen durant certes desintegracions nuclears. Dins d’un reactor nuclear es produeixen nuclis atòmics inestables que es desintegren de diverses maneres. Una de les més comunes és l’anomenada desintegració beta, en la qual el nucli emet una partícula beta (un electró) i un antineutrí.

Ja en 2024, el grup d’Espectroscòpia Gamma i de Neutrons de l’IFIC, juntament amb equips científics de França, Anglaterra i Finlàndia, va anunciar el desenvolupament d’un nou sistema de detecció que pretenia aclarir algunes de les discrepàncies entre els models teòrics i les observacions registrades en els processos de detecció de neutrins emesos en reactors nuclears. La clau per a entendre aquestes discrepàncies, afirmaven, podia estar en la mesura dels espectres beta dels productes de fissió. Ara, aquest nou sistema de detecció ha donat els seus fruits i el grup ha publicat els resultats.

El treball ha abordat mesures de la forma de l’espectre de desintegracions beta que més contribueixen a l’espectre d’antineutrins dels reactors, utilitzant feixos radioactius d’alta puresa produïts a IGISOL, una instal·lació experimental finlandesa reconeguda internacionalment. És molt complex detectar els neutrins emesos per analitzar la seua energia, però és possible inferir-la mesurant l’energia de la partícula beta, ja que totes dues estan relacionades pel principi de conservació de l’energia. És a dir, es poden mesurar les partícules beta que s’emeten en un reactor i, a través d’elles, estudiar els antineutrins.

Amb aquests resultats, Algora i Alcalá han aconseguit corregir els càlculs de l’espectre d’antineutrins dels reactors de manera significativa, ja que les mesures estudien «un tipus de transició beta que representa un percentatge elevat del total i, per tant, afecta directament la regió de l’espectre que no s’entén», comenta Alejandro Algora, investigador principal de la proposta experimental.

Aquestes mesures, afegeix Alcalá, «són les primeres d’aquesta naturalesa realitzades amb feixos radioactius ultrapurs i ens permeten avaluar millor les correccions que s’empren per al càlcul de l’espectre d’antineutrins d’un reactor».

Gràcies al gran nombre d’antineutrins emesos per segon per un reactor (aprox. 10²⁰), els reactors nuclears han tingut una gran rellevància en l’estudi de les propietats dels neutrins, com ara la seua capacitat de transformar-se d’un tipus en un altre —fenomen conegut com a oscil·lació de neutrins— i, encara més important, van permetre demostrar per primera vegada de manera directa la seua existència.

Actualment ja és possible monitorar la potència d’un reactor nuclear utilitzant detectors de neutrins. Però aquestes mesures podrien tindre grans implicacions en el futur: es podria determinar si hi ha manipulacions il·legals del combustible del reactor mitjançant les mesures de l’espectre d’antineutrins. A més, es creu que serà possible veure, a través dels neutrins, què està ocorrent dins d’un reactor nuclear.

El treball, realitzat en el marc d’una col·laboració internacional (IFIC–Subatech–Univ. Surrey–Univ. de Jyväskylä–Univ. Varsòvia) i liderat per l’IFIC, és el primer d’una sèrie d’estudis que contribuiran a entendre millor les anomalies que encara persisteixen en la física de neutrins de reactors nuclears.

Referència: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/hyj7-l22h