Detección de neutrinos con tecnología compacta: así lo ha logrado el experimento CONUS+
En el corazón de una central nuclear, un detector del tamaño de una caja de zapatos ha captado lo que parecía imposible: la tenue huella de los antineutrinos. El experimento CONUS+ inaugura una nueva era en la física de partículas con «tecnología de bolsillo».
Por Enrique Coperías
La posición y el tamaño del detector CONUS+ dentro del reactor de Leibstadt, en Suiza. Cortesía: MPIK
Los neutrinos son quizá las partículas más escurridizas del universo. A pesar de que 60.000 millones de ellos atraviesan cada centímetro cuadrado de la Tierra cada segundo, procedentes en su mayoría del Sol, interactúan tan débilmente con la materia que pueden atravesar nuestro planeta —e incluso nuestro cuerpo— sin perturbar absolutamente nada. Detectarlos ha sido, durante décadas, uno de los mayores desafíos de la física.
Por eso, la noticia que acaba de publicar un grupo de científicos del Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK), en Heidelberg (Alemania), junto con colaboradores internacionales, representa un hito.
Gracias al experimento CONUS+, instalado en el interior de la central nuclear de Leibstadt (Suiza), el equipo de físicos ha logrado detectar por primera vez una señal directa de 395 interacciones entre antineutrinos y núcleos atómicos. El hallazgo, obtenido con un detector de apenas 3 kilogramos, alcanza una significancia estadística de 3,7σ.
Hay que decir que una significancia estadística de 3,7σ implica que la probabilidad de que la señal observada sea un simple efecto del azar es de solo un 0,01 %; en otras palabras, es como escuchar con claridad una gota cayendo en medio del silencio más absoluto, una y otra vez, hasta estar casi seguro de que ahí hay una gotera real.
Es la primera vez que se observa este fenómeno, conocido como dispersión elástica coherente neutrino-núcleo o CEνNS, en condiciones de energía baja y coherencia total, tal como predice el modelo estándar, la teoría que describe las partículas fundamentales del universo, como los electrones, los quarks y los neutrinos, y las fuerzas que actúan entre ellas, excepto la gravedad.
Qué es la dispersión elástica coherente neutrino-núcleo
La analogía más gráfica del fenómeno es la siguiente: imagina una diminuta pelota de pimpón que rebota sobre un coche. El golpe no afecta apenas al coche, pero deja una huella detectable en su movimiento. Del mismo modo, un antineutrino —la antipartícula del neutrino— colisiona con un núcleo atómico entero y le transfiere una pequeña cantidad de energía que, si el detector es suficientemente sensible, puede registrarse.
Este tipo de interacción fue predicha en 1974 por el físico David Freedman, pero durante décadas fue demasiado difícil de detectar debido a la debilidad extrema de la señal. No fue hasta 2017 que el experimento COHERENT, utilizando un acelerador de partículas, logró registrarla por primera vez a través de neutrinos de alta energía generados artificialmente.
Lo innovador de CONUS+ es que ha conseguido observar este fenómeno en un contexto completamente diferente: una central nuclear comercial en funcionamiento, con neutrinos de energía mucho más baja. Esto no solo demuestra que el efecto también ocurre en condiciones reales, sino que además permite medirlo con mayor coherencia y precisión, gracias a la naturaleza estable y abundante del flujo de antineutrinos que emiten los reactores nucleares.
La nueva física, en la palma de la mano
Uno de los grandes logros del experimento, cuyos resultados recoge la revista Nature, ha sido miniaturizar lo que tradicionalmente han sido instalaciones colosales. Detectar neutrinos solía requerir depósitos de agua pesada o de centelleadores con masas que superan fácilmente las mil toneladas.
En contraste, CONUS+ ha demostrado que un detector compacto de germanio de alta pureza, instalado a solo 20,7 metros del núcleo del reactor, es suficiente para observar una señal inequívoca.
«El efecto que hemos observado confirma la sensibilidad del experimento CONUS+ y su capacidad para detectar la dispersión de antineutrinos en núcleos atómicos», señala Christian Buck, uno de los principales autores del estudio.
En palabras de este físico, «lo más interesante es que esto no es solo un experimento de física básica; en el futuro, podríamos desarrollar detectores pequeños y móviles que permitan monitorizar el calor o los isótopos de un reactor desde el exterior, sin interferir con su funcionamiento».
Ciencia con el pulso de un relojero
La clave del éxito ha estado en la ingeniería de precisión: los detectores se basan en cristales de germanio extremadamente puros y sensibles, capaces de registrar retrocesos de energía tan bajos como 160 electronvoltios, un valor minúsculo si se compara con los millones de electronvoltios típicos de las reacciones nucleares.
Durante 119 días de medición continua, el sistema operó tanto con el reactor en funcionamiento como en fases de apagado por mantenimiento. Esta alternancia fue crucial para separar el ruido de fondo, como los rayos cósmicos, de la señal real de los antineutrinos. Con técnicas estadísticas avanzadas, se extrajo un exceso claro de 395 eventos compatibles con la CEνNS, muy cercano a los 347 eventos previstos por las simulaciones, según Buck.
A pesar de estar instalado dentro de una central nuclear operativa, un entorno con altos niveles de radiación natural y ruido ambiental, el experimento CONUS+ logró un control técnico sobresaliente. Durante toda la campaña de medición, se mantuvieron estables parámetros críticos como la temperatura, el nivel de ruido electrónico de los detectores y su eficiencia para registrar señales reales. Esta estabilidad fue clave para distinguir con confianza las señales de antineutrinos del ruido de fondo, y asegurar la fiabilidad de los resultados obtenidos.
«Fue como buscar una aguja en un pajar, con el viento soplando. Pero la encontramos», resume uno de los técnicos del proyecto.
De Brokdorf a Leibstadt: evolución de un experimento
La historia de CONUS+ no empezó en Suiza. El experimento se originó en 2018 en la central de Brokdorf, en Alemania, bajo el nombre CONUS. Allí se probó el diseño original con cuatro detectores de un kilogramo cada uno. Sin embargo, tras el cierre de la planta, el equipo trasladó en 2023 el sistema a la central suiza de Leibstadt, donde comenzó la etapa plus del proyecto.
Allí, los detectores fueron mejorados y recalibrados, y el entorno permitió aprovechar un flujo de antineutrinos de más de 10 billones por centímetro cuadrado y segundo, gracias al tipo de reactor (agua en ebullición con 3,6 GW de potencia térmica).
Estas condiciones, combinadas con la reducción del umbral energético y una mejor eficacia de los sensores, permitieron multiplicar por diez la tasa esperada de interacciones con respecto a Brokdorf.
El detector de partículas ProtoDUNE, de 770 toneladas, se encuentra en la frontera entre Suiza y Francia y sirve como banco de pruebas para el diseño y la tecnología del futuro experimento DUNE. Este proyecto se construirá a más de 1,5 kilómetros bajo tierra en Dakota del Sur (Estados Unidos) con el objetivo de estudiar en profundidad los neutrinos, unas partículas que inundan el universo. Crédito: CERN
¿Por qué importa esta señal?
El impacto del hallazgo no se limita a lo técnico. Según el profesor Michael Lindner, director del MPIK y uno de los impulsores del proyecto, «Las técnicas y métodos utilizados en CONUS+ tienen un potencial excelente para descubrimientos fundamentales. Los resultados pioneros podrían ser el punto de partida para un nuevo campo en la investigación de neutrinos».
En otras palabras, CEνNS podría convertirse en el nuevo eje de una disciplina que, durante décadas, ha sido uno de los motores de las grandes teorías de la física de partículas, desde la oscilación de sabores hasta la existencia de neutrinos estériles o la materia oscura.
Por otro lado, además de validar una predicción central del modelo estándar, la medición precisa de la dispersión elástica coherente neutrino-núcleo permite:
✅ Explorar nuevas físicas más allá del modelo actual, como la existencia de partículas mediadoras adicionales al bosón Z.
✅ Estudiar el ángulo de Weinberg, que gobierna la fuerza de las interacciones débiles.
✅ Probar propiedades electromagnéticas del neutrino, como un posible momento magnético.
✅ Investigar el interior de las estrellas, ya que este tipo de interacción se vuelve clave en los flujos de neutrinos durante una supernova.
✅ Controlar reactores nucleares de forma remota, al medir con precisión los antineutrinos emitidos por cada tipo de isótopo durante la fisión.
El futuro de CONUS+: nuevos detectores y más sensibilidad
En noviembre de 2024, el equipo reemplazó tres de los cuatro detectores por versiones de 2,4 kg cada uno, manteniendo el más sensible de la fase inicial el C3, como referencia. Según Lindner, las mejoras permiten:
⚠️ Detectar antineutrinos con mayor eficiencia.
⚠️ Bajar aún más el umbral de energía.
⚠️ Aumentar la precisión en la medición de la sección eficaz de la CEνNS.
⚠️ Estudiar de forma más sensible posibles interacciones no estándar.
Tras el éxito de la primera campaña, los investigadores reemplazaron en noviembre de 2024 tres de los cuatro detectores por una nueva generación con masa de 2,4 kg cada uno y una sensibilidad aún mayor. El objetivo es continuar midiendo durante varios años más y alcanzar una precisión suficiente como para descubrir desviaciones sutiles que indiquen nueva física.
Los neutrinos son partículas subatómicas muy ligeras, sin carga eléctrica y casi imposibles de detectar porque apenas interactúan con la materia. Se producen en reacciones nucleares, como en el Sol, reactores o supernovas. Aunque son extremadamente abundantes en el universo, su comportamiento sigue siendo uno de los grandes misterios de la física. Cortesía: CERN
Un campo muy prometedor
La dispersión elástica coherente, aunque poco conocida fuera de los círculos especializados, podría ser la clave para el próximo gran salto en la física de partículas. Si su medición se perfecciona, se abrirá una ventana a fenómenos hasta ahora inalcanzables, desde la naturaleza del neutrino hasta su posible papel en el rompecabezas de la materia oscura.
Además, en un mundo cada vez más vigilante en materia de seguridad nuclear, el desarrollo de detectores compactos de antineutrinos podría convertirse en una herramienta esencial para verificar el estado de una planta desde el exterior, sin necesidad de acceder a zonas sensibles.
CONUS+ ha demostrado que esto es posible. Con apenas tres kilogramos de tecnología puntera, ha capturado uno de los susurros más débiles del universo. Y con ello, ha dado el primer paso hacia una nueva era en la ciencia de lo invisible.▪️
Información facilitada por el Instituto Max Planck de Física Nuclear
Fuente: Ackermann, N., Bonet, H., Bonhomme, A. et al. Direct observation of coherent elastic antineutrino–nucleus scattering. Nature (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09322-2
