El grupo de Espectroscopía Gamma y de Neutrones del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV), junto a equipos científicos de Francia, Inglaterra y Finlandia, ha desarrollado un nuevo sistema de detección que pretende esclarecer algunas de las actuales discrepancias entre los modelos teóricos y las observaciones registradas en los procesos de detección de neutrinos emitidos en reactores nucleares.

Los reactores nucleares constituyen la mayor fuente de neutrinos pacífica que conocemos hoy en día. Cada fisión nuclear producida es seguida por aproximadamente seis desintegraciones beta, y en cada una de estas se emite un antineutrino. Con ello, un reactor nuclear convencional produce del orden de 10²⁰ neutrinos por segundo.  

Estas cifras dan una idea de la relevancia de los reactores nucleares en el estudio de la física de neutrinos, las partículas elementales más abundantes del universo que a su vez son extremadamente difíciles de detectar debido a que no tienen carga eléctrica ni apenas masa. Gracias al uso de reactores nucleares se pudo identificar por primera vez esta elusiva partícula y, actualmente, la comunidad investigadora puede estudiar las propiedades de los neutrinos a través de detectores situados a diferentes distancias de un reactor nuclear.

Sin embargo, existen cuestiones todavía no resueltas en lo que respecta al estudio de los neutrinos producidos en el seno de los reactores. Una de ellas es que el número de neutrinos registrado con un detector situado cerca del reactor puede diferir en mayor o menor cantidad del número predicho por los cálculos teóricos, y esta diferencia es distinta según el modelo físico que se emplee. Este asunto se ha denominado en la literatura ‘la anomalía del reactor’. Otro problema todavía sin respuesta es que la ‘forma’ del espectro de neutrinos que produce un reactor nuclear no coincide en una región concreta con el espectro predicho a través de los modelos teóricos.

La clave para entender estos problemas puede estar en la medición de los espectros beta de los productos de fisión. Es por ello que el grupo de Espectroscopía Gamma y de Neutrones del IFIC está liderando a nivel mundial estas medidas, en colaboración con grupos de Francia, Inglaterra y Finlandia. El equipo ha desarrollado un nuevo sistema de detectores que recientemente se ha utilizado en un experimento en la Universidad de Jyväskylä (Finlandia) para estudiar las desintegraciones beta más relevantes desde la perspectiva de estos problemas sin resolver.

“Las últimas medidas realizadas de este tipo se hicieron a finales de los años 80 y en condiciones mucho menos controladas respecto a lo que podemos hacer hoy en día”, afirma Alejandro Algora, investigador científico del CSIC en el IFIC, investigador principal del grupo y portavoz del experimento. “La ventaja es que, en instalaciones como la de Finlandia, es posible producir haces de gran pureza de los isótopos de interés, lo que permite tener un mayor control sobre las posibles contaminaciones de estas medidas, algo que no se podía realizar anteriormente. También, nuestras medidas se benefician del desarrollo ocurrido en las últimas décadas en las técnicas de instrumentación y análisis, que actualmente son muy superiores a las utilizadas en el pasado.”

Medir la forma del espectro de las desintegraciones beta, aunque parezca un estudio de antaño, puede ser la clave para entender qué ocurre en el núcleo de un reactor nuclear e interpretar correctamente el espectro de antineutrinos emitido. Entender este espectro puede ser relevante también para monitorizar los reactores nucleares y para aplicaciones de no-proliferación.

La foto del detector desarrollado por la colaboración conforma la portada del Annual Report 2023 del Departamento de Física de la Universidad de Jyväskylä, en reconocimiento a la relevancia de este estudio.

Esta investigación está apoyada por fondos del Plan Complementario de Astrofísica y Física de Altas Energías (ASFAE) y por un proyecto PROMETEO de la Comunitat Valenciana.