Física nuclear para entender mejor las ‘partículas fantasma’


Esquema del experimento Double Chooz, donde participa el CIEMAT.

Esquema del experimento Double Chooz, donde participa el CIEMAT.

Uno de los descubrimientos más sorprendentes de las últimas décadas es que los neutrinos “oscilan”, es decir, se transforman en otros tipos de neutrinos. Este ha sido el resultado de una serie de observaciones y experimentos muy elaborados que han permitido determinar de manera mas precisa los parámetros que rigen estos procesos. Una de las dificultades en este tipo de estudios es que, como los neutrinos son partículas muy “elusivas”, se necesitan fuentes de neutrinos muy.potentes.

Los reactores nucleares son fuentes muy intensas de neutrinos, concretamente de antineutrinos. Cada proceso de fisión en un reactor conduce en promedio a seis desintegraciones beta sucesivas de los productos de fisión, cada una de las cuales produce un antineutrino. Por esta razón, un reactor estándar de 1 GWe, produce del orden de 1020antineutrinos por segundo.

Esto ha propiciado el desarrollo de una serie de experimentos de oscilación usando reactores como fuente primaria, siendo los ejemplos más actuales los de Double Chooz (Francia), RENO (Corea) y Daya Bay(China). Los primeros resultados de estos experimentos han permitido determinar recientemente, y sin ambigüedad, que uno de los parámetros que gobiernan el proceso de oscilación, el llamado ángulo Θ13 es no-nulo,en contra de suposiciones anteriores. Estos experimentos no han hecho más que comenzar, y en breve acumularán mayor estadística que permitirá determinar de forma precisa del espectro de anti-neutrinos del reactor. Esto permitirá estudiar nuevos aspectos de la física de los neutrinos.

Proceso gobernado por cuatro isótopos

El espectro de antineutrinos del reactor está determinado por la física nuclear que gobierna los procesos de fisión y desintegración. Son esencialmente cuatro los isotopos presentes en el núcleo del reactor que determinan la distribución de productos de fisión: 235U, 239Pu, 241Pu y 238U (en orden de importancia).

En total, hay que considerar más de un millar de productos de fisión. Cada producto de fisión produce un espectro de antineutrinos determinado por su estructura nuclear. La proporción entre las abundancias de los distintos productos depende en cada momento de la composición de la carga inicial de combustible, y de la historia operativa previa del reactor.

El conocimiento actual sobre el espectro de antineutrinos se basa en un único experimento realizado en el reactor del ILL (Grenoble), en el que se midió el espectro de partículas beta emitidas para los isótopos mencionados (todos excepto el 238U). Puesto que las energías de la partícula beta y el antineutrino están ligadas por el principio de conservación de la energía, es posible deducir el espectro de antineutrinos.

Sin embargo, el proceso de conversión no es tan simple y un nuevo análisis reciente de los datos sugiere que hay que corregir la magnitud por un +3%, lo que se ha dado en llamar la “anomalía de los neutrinos de reactores”, abriendo la puerta a la existencia de fenómenos no esperados (nueva física).

Una alternativa para obtener el espectro de antineutrinos del reactor es utilizar cálculos ab initio basados en nuestro conocimiento actual sobre los procesos nucleares que ocurren en el núcleo del reactor. Estos cálculos, llamados de sumación, extensos y complejos, consisten básicamente en sumar la contribución al espectro de cada producto de fisión en la proporción adecuada. Que el resultado sea relativamente fiable se debe a los avances en nuestro conocimiento de las reacciones y estructura de los núcleos atómicos.

Cálculos avanzados

En un artículo publicado en Physical Review Letters, un grupo de investigación del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV) ha presentado cálculos de sumación muy avanzados, utilizando las últimas bases de datos nucleares y comparando con las medidas del ILL. La comparación revela diferencias sistemáticas de hasta el 10% en el rango de energías relevantes. La diferencia es achacable a la calidad de la información disponible sobre la de desintegración de isotopos relevantes.

El grupo del IFIC ha desarrollado una técnica de medida que permite determinar con precisión la distribución de la intensidad de desintegración beta que determina el espectro de antineutrinos. La técnica, denominada espectroscopía gamma de absorción total, utiliza esencialmente “calorímetros” que absorben toda la radiación emitida y requiere sofisticados algoritmos de deconvolución. La virtud de este método es que esta libre de un error sistemático que puede afectar a las medidas alternativas, denominadas de alta resolución, y que distorsiona el resultado obtenido para la distribución de intensidad.

La mayor parte de la información contenida en las bases de datos actuales está de hecho obtenida con esta técnica. Como se demuestra en la publicación, la sustitución de los datos para un puñado de isotopos por nuevos datos obtenidos con la técnica de absorción total tiene un impacto importante (hasta un 9% para el 239Pu) y en la dirección apropiada sobre el espectro de neutrinos calculados. Esto abre la puerta a sustanciales mejoras en los cálculos de sumación, una vez que se hayan  identificado y medido con esta técnica isotopos relevantes.

Monitorizar actividades nucleares ‘secretas’

Una aplicación adicional de estos resultados está relacionada con un campo un tanto especial, el de control sobre la proliferación nuclear.  LaIAEA mantiene un grupo de trabajo sobre la posibilidad de monitorizar la actividad de los reactores nucleares a distancia y sin interferencias usando “pequeños” detectores de neutrinos. De esta forma, se podría llegar a verificar independientemente del operador de la planta nuclear, la potencia del reactor y la composición del combustible nuclear en cada momento, y detectar así actividades tendentes a la producción de Pu para usos no pacíficos. Los cálculos de sumación son esenciales en este caso.

http://www.fpa.csic.es

 

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