XENONnT abre una nueva ventana a los neutrinos del Sol

El experimento XENONnT fue construido para buscar WIMPs —partículas masivas que interactúan débilmente, una de las candidatas a explicar la materia oscura—. Sin embargo, la sensibilidad extrema necesaria para encontrar esas interacciones también convirtió al detector en una herramienta para estudiar neutrinos solares.

En un seminario celebrado en los Laboratori Nazionali del Gran Sasso, en Italia, la colaboración XENON anunció la primera observación de neutrinos solares de baja energía que se dispersan sobre electrones dentro del xenón líquido. El resultado amplía la observación directa de neutrinos hasta energías de unos 17 keV, el umbral más bajo comunicado hasta ahora. La señal está dominada por neutrinos pp. 22

Una diminuta señal de retroceso

Los neutrinos atraviesan la materia casi sin interactuar. De vez en cuando, uno de ellos choca elásticamente con un electrón del xenón líquido y le transfiere una pequeña cantidad de energía. Ese retroceso produce dos señales:

• un destello inmediato de luz en el xenón;
• una segunda señal de electroluminiscencia, generada cuando los electrones liberados son extraídos hacia la fase gaseosa.

La combinación de ambas señales permite reconstruir la energía y la posición tridimensional de cada evento. Por eso, los investigadores no buscan identificar el impacto aislado de un neutrino, sino reconocer el patrón estadístico esperado de muchos retrocesos electrónicos y compararlo con los fondos radiactivos e instrumentales conocidos.

Conviene aclarar que el umbral de aproximadamente 17 keV se refiere a la energía de los neutrinos que la medición logró hacer accesibles, no a una energía que cada neutrino transfiera íntegramente al electrón. Según el anuncio disponible, el resultado corresponde a una primera observación de neutrinos solares de baja energía, con una señal dominada por neutrinos pp. 22

Qué son los neutrinos pp

Los neutrinos pp se generan en el primer paso de la cadena de fusión protón-protón del Sol:

[
p+p\rightarrow d+e^++\nu_e
]

En esta reacción, dos protones dan lugar a un deuterón, un positrón y un neutrino electrónico. Es el inicio de la cadena mediante la cual el hidrógeno acaba transformándose en helio.

La importancia de estos neutrinos es directa: la cadena protón-protón es la principal fuente de energía del Sol. Los neutrinos que produce son mensajeros directos de las reacciones que ocurren en su núcleo.

La luz solar, en cambio, tarda mucho tiempo en transportar hacia la superficie la energía generada en el interior. Los neutrinos escapan casi de inmediato de la región donde nacen y después viajan hasta la Tierra. Medir el componente pp ofrece, por tanto, una comprobación más directa de la fusión que mantiene encendido al Sol.

Por qué XENONnT pudo detectar una señal tan débil

En el centro de XENONnT hay una cámara de proyección temporal de dos fases, con 5,9 toneladas de xenón líquido como blanco activo. Su gran masa aumenta la probabilidad de registrar interacciones raras, mientras que la medición conjunta de luz y ionización aporta información sobre la energía y la ubicación de cada evento. 5

El principal problema no es únicamente la escasez de neutrinos, sino también el fondo. El radón y sus productos de desintegración pueden producir retrocesos electrónicos parecidos a los generados por la dispersión de neutrinos.

Para reducirlos, la colaboración desarrolló un sistema de destilación criogénica en línea que extrae continuamente el radón del xenón. La actividad de (^{222}\mathrm{Rn}) en el blanco activo llegó aproximadamente a (0,90\ \mu\mathrm{Bq/kg}), un nivel en el que el fondo del radón resulta comparable al fondo inevitable producido por los neutrinos solares. 1819

Además, el detector funciona a gran profundidad bajo el macizo del Gran Sasso. Esa ubicación reduce los eventos provocados por rayos cósmicos y crea un entorno suficientemente limpio para buscar la señal mediante un ajuste estadístico del espectro, en lugar de perderla entre una cantidad mucho mayor de eventos espurios. 22

El vínculo con la señal de neutrinos de boro-8 de 2024

El nuevo resultado emplea un canal de interacción distinto del utilizado en el anuncio de 2024. En aquella ocasión, XENONnT buscó neutrinos de (^{8}\mathrm{B}) mediante la dispersión coherente elástica neutrino-núcleo, conocida como CEνNS. En ese proceso, el neutrino produce un retroceso del núcleo de un átomo de xenón. La hipótesis de que todos los eventos fueran únicamente fondo quedó desfavorecida con una significación de 2,73σ: una indicación, no un descubrimiento de 5σ. 23

La medición de baja energía utiliza, en cambio, la dispersión neutrino-electrón. Así, el mismo detector puede registrar dos tipos de huella procedente del Sol:

• retrocesos electrónicos, producidos por la dispersión sobre electrones y dominados en este caso por los neutrinos pp;
• retrocesos nucleares, producidos mediante CEνNS, como en la indicación de neutrinos de boro-8.

La distinción es importante porque cada canal abre una ventana diferente al espectro energético de los neutrinos solares y a la física del interior del Sol.

La 'neblina de neutrinos' y el límite para la materia oscura

Para los experimentos que buscan materia oscura, los neutrinos solares son a la vez una señal científica y un obstáculo. Sus retrocesos pueden parecerse a los que producirían algunas partículas de materia oscura, y no es posible eliminarlos mediante un blindaje convencional: los neutrinos atraviesan la materia casi sin inmutarse.

Este fondo inevitable suele describirse como una 'neblina de neutrinos'. No constituye una barrera absoluta. La forma del espectro, la comparación entre distintos materiales, la información direccional y un conocimiento más preciso de los flujos solares pueden ayudar a distinguir estadísticamente una señal de materia oscura.

Aun así, cuando aumenta la sensibilidad, las mejoras se vuelven más difíciles y las incertidumbres sistemáticas ganan peso. La indicación de CEνNS de neutrinos de boro-8 obtenida por XENONnT fue uno de los primeros ejemplos directos de este fondo nuclear en un detector de materia oscura. 12

El próximo paso: XLZD

XLZD se plantea como un observatorio de nueva generación basado en xenón líquido. Su diseño de referencia contempla un blanco activo de unas 60 toneladas, con la posibilidad de ampliarlo hasta 80 toneladas. Sería aproximadamente un orden de magnitud más de xenón activo que XENONnT y aumentaría la exposición disponible tanto para la búsqueda de WIMPs como para la física de neutrinos. 3235

Una masa mayor no significa simplemente acumular más eventos. También podría permitir medir con mayor precisión el flujo y el espectro de los neutrinos pp, además de estudiar la probabilidad de supervivencia de los neutrinos electrónicos mientras viajan desde el Sol hasta la Tierra. Al mismo tiempo, XLZD está diseñado para explorar la región en la que las interacciones de los WIMPs se aproximan al fondo de la 'neblina de neutrinos'. 3239

El mensaje de XENONnT es claro: la búsqueda de materia oscura y la astronomía de neutrinos solares ya no son actividades separadas. La misma pureza, el mismo bajo nivel de ruido y la misma tecnología desarrollada para encontrar un evento extremadamente raro pueden revelar también las huellas casi invisibles de la fusión que ocurre en el núcleo del Sol.