Antineutrinos fantasma revelam emissão residual de reatores nucleares

Unicórnios, Pé-grande e banshees foram desmentidos pela ciência, mas os fantasmas existem - em certa medida.

Os neutrinos, extremamente difíceis de detetar, e as suas contrapartes, os antineutrinos, são conhecidos como partículas fantasma: quase nunca interagem com a matéria, devido à ausência de carga elétrica e à sua massa praticamente inexistente.

Ainda assim, estas partículas fundamentais e etéreas podem reforçar as salvaguardas nucleares, oferecendo uma forma não intrusiva de observar o que acontece no interior dos reatores nucleares - incluindo o fluxo espectral de antineutrinos depois de uma central ter sido desligada.

Antineutrinos residuais em reatores nucleares

Numa descoberta recente, físicos mediram pela primeira vez esta emissão residual, detetando o ténue e inquietante brilho dos antineutrinos eletrónicos que emergiam da escuridão dos núcleos adormecidos de reatores nucleares em França.

Liderados por físicos do Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK), os investigadores da Colaboração Double Chooz confirmaram experimentalmente este fluxo previsto. A emissão provém do combustível queimado no interior de dois reatores, bem como dos resíduos removidos e colocados em piscinas de arrefecimento. Embora este fluxo tenha sido limitado por modelos teóricos, nunca tinha sido medido.

"Até agora, as experiências com antineutrinos de reatores concentraram-se sobretudo em reatores em funcionamento, onde o fluxo de antineutrinos é muito mais elevado", afirma Anthony Onillon, físico do MPIK e um dos co-líderes do estudo.

"A deteção do minúsculo sinal residual após o encerramento exigiu níveis de radiação de fundo excecionalmente baixos e técnicas de análise cuidadosas, desenvolvidas pela colaboração Double Chooz ao longo de muitos anos."

A experiência Double Chooz decorreu entre 2011 e 2017 e investigou a quantidade inimaginavelmente elevada de antineutrinos produzidos na Central Nuclear de Chooz, no norte de França.

Para estudar uma propriedade estranha e incompreensível à escala macroscópica, a Double Chooz usou dois detetores subterrâneos, situados a distâncias médias de 400 metros e 1.050 metros dos dois reatores em funcionamento da central.

Os neutrinos e os antineutrinos alteram o seu sabor, ou seja, o seu tipo, à medida que se deslocam, num processo denominado oscilação.

É como comprar gelado de chocolate e vê-lo transformar-se em baunilha e, depois, em morango no percurso entre a loja, a casa e a taça, explicam físicos do Fermilab, criando pelo caminho um gelado napolitano quântico.

Como o Double Chooz deteta antineutrinos

No entanto, os físicos não conseguem realmente “ver” os antineutrinos; apenas podem inferir a sua existência a partir das interações com outras partículas no interior de detetores cuidadosamente concebidos.

"Os antineutrinos interagem com a matéria apenas em ocasiões extremamente raras", explica Thierry Lasserre, físico do MPIK.

"Contudo, quando um deles interage no detetor Double Chooz, produz-se um sinal característico de luz dupla, que pode ser distinguido dos acontecimentos de fundo."

Numa outra analogia baseada em alimentos, imagine-se a colisão entre um camião carregado de Mentos e outro cheio de cola, criando uma fonte de efervescência reveladora.

Quando um neutrino ou antineutrino atravessa o detetor Double Chooz, por vezes embate num protão existente no “cintilador líquido” da câmara interna dos detetores.

Esse choque produz um neutrão e um positrão, a contraparte de antimatéria do eletrão. O positrão aniquila-se de imediato com um eletrão próximo, originando um clarão de luz facilitado pelo cintilador.

O neutrão é depois capturado pelo gadolínio, um elemento metálico prateado de terras raras presente no cintilador, o que gera um segundo clarão luminoso e fornece uma “autenticação de dois fatores” do acontecimento de antineutrino.

Este acontecimento chama-se decaimento beta inverso (IBD) e ocorre frequentemente nos reatores durante a fissão de elementos como o urânio e o plutónio. Trata-se da maior fonte de antineutrinos produzidos pelo ser humano, e acompanhar este fluxo pode ser extremamente útil para a segurança nuclear e, possivelmente, para analisar a evolução da composição destes materiais combustíveis.

Medição do sinal após o desligamento

No estudo, a equipa identificou um excesso de acontecimentos IBD em toda a gama de energia na qual se prevê que o sinal de emissão residual procurado atinja o seu máximo.

Ao longo de 17.2 dias de observação, período em que ambos os núcleos dos reatores de Chooz permaneceram desligados, os investigadores encontraram uma “concordância muito boa” entre os acontecimentos de antineutrinos medidos e os esperados: em concreto, 106 ±18 acontecimentos medidos, face a 88 ±7 acontecimentos previstos. Isto poderá corresponder a menos de 1% do sinal de fluxo registado durante o funcionamento do núcleo do reator.

A precisão desta técnica ainda pode ser aperfeiçoada. Os investigadores observam que ela é sensível a grandes alterações do fluxo, mas talvez não consiga indicar se, por exemplo, tivessem desaparecido alguns conjuntos de combustível usado.

Ainda assim, no conjunto, este trabalho constitui uma prova de conceito valiosa para testes nucleares diretos e não intrusivos, que poderão contribuir para futuras normas de salvaguardas nucleares.

Esta investigação foi publicada na Physical Review Letters.

Este artigo foi verificado por Fiona MacDonald e editado por Fiona MacDonald. Embora tenhamos orgulho no nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar algum erro, informe-nos, por favor.