En 2018, un tanque de agua más pura, enterrado bajo kilómetros de roca en Ontario, Canadá, brillaba cuando partículas apenas perceptibles golpeaban sus moléculas.

Era la primera vez que se utilizaba agua para detectar una partícula conocida como antineutrino, procedente de un reactor nuclear a más de 240 kilómetros (150 millas) de distancia. Este increíble avance promete neutrino experimentos y tecnología de monitoreo que utilizan materiales baratos, fáciles de adquirir y seguros.

Como algunas de las partículas más abundantes del Universo, neutrinos son pequeñas cosas extrañas con mucho potencial para revelar conocimientos más profundos sobre el Universo. Desafortunadamente, casi no tienen masa, no tienen carga y apenas interactúan con otras partículas. Fluyen principalmente a través del espacio y las rocas, como si toda la materia fuera incorpórea. Hay una razón por la que se les conoce como partículas fantasma.

Los antineutrinos son la contraparte antipartícula de los neutrinos. Normalmente, una antipartícula tiene la carga opuesta a su partícula equivalente; la antipartícula del electrón con carga negativa, por ejemplo, es el positrón con carga positiva. Como los neutrinos no tienen carga, los científicos sólo pueden diferenciarlos basado en el hecho un neutrino electrónico aparecerá junto a un positrón, mientras que un antineutrino electrónico aparecerá con un electrón.

antineutrinos electrónicos son emitidos durante la desintegración beta nuclear, un tipo de desintegración radiactiva en la que un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino. Uno de estos antineutrinos electrónicos puede interactuar con un protón para producir un positrón y un neutrón, una reacción conocida como desintegración beta inversa.

Para detectar este tipo específico de descomposición se utilizan grandes tanques llenos de líquido revestidos con tubos fotomultiplicadores. Están diseñados para capturar el tenue brillo de Radiación Cherenkov creado por partículas cargadas que se mueven más rápido de lo que la luz puede viajar a través del líquido, similar al boom sónico generado al romper la barrera del sonido. Por tanto, son muy sensibles a la luz muy tenue.

Los antineutrinos se producen en cantidades prodigiosas en los reactores nucleares, pero tienen una energía relativamente baja, lo que los hace difíciles de detectar.

Para escribir SNO+. Enterrado bajo más de 2 kilómetros (1,24 millas) de roca, es el laboratorio subterráneo más profundo del mundo. Este escudo rocoso proporciona una barrera eficaz contra la interferencia de los rayos cósmicos, lo que permite a los científicos obtener señales excepcionalmente bien resueltas.

Hoy en día, el tanque esférico de 780 toneladas del laboratorio está lleno de alquilbenceno lineal, un centelleador líquido que amplifica la luz. En 2018, mientras la instalación estaba en proceso de calibración, se le suministró agua ultrapura.

Al analizar los 190 días de datos recopilados durante la fase de calibración en 2018, la colaboración SNO+ encontró evidencia de desintegración beta inversa. El neutrón producido durante este proceso es capturado por un núcleo de hidrógeno en el agua, que a su vez produce una suave floración de luz a un nivel de energía muy específico, 2,2 megaelectrones voltios.

Los detectores de agua Cherenkov generalmente tienen dificultades para detectar señales por debajo de 3 megaelectronvoltios; pero un SNO+ lleno de agua pudo detectar hasta 1,4 megaelectronvoltios. Esto produce una eficiencia de alrededor del 50% en la detección de señales de 2,2 megaelectronvoltios, por lo que el equipo pensó que valdría la pena buscar signos de desintegración beta inversa.

Un análisis de una señal candidata determinó que probablemente fue producida por un antineutrino, con un nivel de confianza de 3 sigma (una probabilidad del 99,7 por ciento).

El resultado sugiere que los detectores de agua podrían usarse para monitorear la producción de energía de los reactores nucleares.

Mientras tanto, SNO+ se está utilizando para ayudar a comprender mejor los neutrinos y antineutrinos. Porque los neutrinos son imposible de medir directamentea nosotros no se mucho sobre ellos. Una de las preguntas más importantes es si los neutrinos y los antineutrinos son exactamente la misma partícula. Una decadencia rara y nunca antes vista respondería a esta pregunta. SNO+ está actualmente buscando esta descomposición.

«Nos intriga que se pueda utilizar agua pura para medir antineutrinos en reactores y a distancias tan grandes», dijo el físico Logan Lebanowski de la colaboración SNO+ y la Universidad de California, Berkeley, en marzo de 2023.

«Hicimos un gran esfuerzo para extraer algunas señales de 190 días de datos. El resultado es gratificante».

La investigación fue publicada en Cartas de revisión física.

Una versión de este artículo se publicó por primera vez en abril de 2023.