Experimento con Estados Unidos continentales

La detección y las investigaciones detalladas de las propiedades de CEνNS utilizando neutrinos de un reactor nuclear requieren que el detector se ubique lo más cerca posible del núcleo del reactor para garantizar un flujo de neutrinos máximo. Para lograr esto, el detector CONUS se encuentra a una distancia de 17 m del núcleo del reactor dentro de la instalación del reactor nuclear en Brokdorf, ^{[ 5 ] [ 6 ]} véase la Figura 4. Esto solo es posible gracias a la tecnología de detección seleccionada ^{[ 7 ]} que permite su colocación dentro de la instalación sin interferir con el funcionamiento del reactor.

El reactor de Brokdorf funciona a una potencia térmica máxima de 3,9 GW, lo que lo convierte en uno de los más potentes del mundo. En promedio, se producen unos 7,2 neutrinos por fisión nuclear (6 de productos de fisión y 1,2 debido a desintegraciones tras capturas de neutrones en uranio-238 ). ^{[ 8 ] [ 9 ]} En el sitio del detector, esto resulta en un flujo de aproximadamente 23 billones de neutrinos por segundo y centímetro cuadrado. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

La colaboración CONUS está utilizando cuatro detectores semiconductores de germanio de alta pureza , ^{[ 7 ]} cada uno con un peso de 1  kg (véase la figura 5).

Si un neutrino originado en el núcleo del reactor se dispersa al chocar con un núcleo de germanio , la pequeña energía de retroceso del núcleo se convierte parcialmente en energía de ionización y parcialmente en calor de disipación. Solo la primera parte de la energía contribuye a la formación de la señal eléctrica en los detectores de ionización utilizados en CONUS. El fenómeno de disipación se conoce como extinción y se describe típicamente mediante la teoría de Lindhard . ^{[ 11 ]} Por lo tanto, un conocimiento preciso de este factor de extinción es crucial, ya que su incertidumbre es una de las principales sistemáticas del experimento. Para detectar la dispersión elástica coherente de neutrinos en núcleos, CONUS está recopilando datos con el reactor encendido y apagado. Al comparar estos datos, un exceso de eventos en la ventana de energía esperada durante el tiempo de encendido del reactor puede revelar la existencia de CEνNS. Además, las mediciones durante los tiempos de apagado del reactor permiten una determinación precisa de la tasa de fondo y sus componentes. CONUS comenzó a recopilar datos el 1 de abril de 2018 y ha estado operando continuamente desde entonces.

Aunque CEνNS es la interacción de neutrinos con la sección transversal más alta, sigue siendo un proceso raro. Además, dado que implica una transferencia de energía y momento muy pequeña (<1 keV), un detector adecuado debe estar blindado contra cualquier ruido de fondo adicional. Los tres tipos principales de ruido de fondo y sus estrategias de mitigación aplicadas en CONUS se resumen aquí: Los ruidos de fondo relevantes se pueden clasificar en 3 categorías diferentes:

• Radiación cósmica: Los muones cósmicos y las cascadas inducidas por muones pueden interactuar con el material objetivo del detector en grandes cantidades. Por lo tanto, la radiación cósmica es uno de los fondos más relevantes. Para suprimir este tipo de fondo, muchos experimentos de bajo fondo se ubican a gran profundidad. Sin embargo, esto no es posible para CONUS; en este caso, el edificio del reactor ofrece una modesta capa de recubrimiento que reduce el flujo de muones solo en un factor de 2 a 3. Para lograr una supresión aún mejor del fondo muónico, el detector CONUS está rodeado por un sistema activo de veto de muones (véase la Figura 5). Este sistema consta de capas centelleadoras que pueden detectar los muones incidentes que atraviesan la configuración del detector. De esta manera, el fondo inducido por muones se puede reducir aproximadamente en un factor de 100. ^{[ 5 ]}
• Fondo local: Además de la radiación cósmica, también existe un fondo proveniente del entorno inmediato. Las contribuciones más importantes al fondo local son la radiactividad natural en el entorno y los neutrones radiados desde el núcleo del reactor. ^{[ 5 ]} Para proteger los detectores contra este fondo, están cubiertos con varias capas de plomo (25  cm en total) así como placas de polietileno dopado con boro (véase la Figura 5). Otra fuente importante de fondo con la que deben lidiar los experimentos (especialmente aquellos ubicados en un entorno cerrado) es la desintegración radiactiva del radón en el aire . El radón es un gas inerte y, por lo tanto, puede filtrarse a través de las más pequeñas grietas de las capas de protección y desintegrarse cerca de los detectores. Para resolver este problema, la cámara del detector se purga continuamente con aire libre de radón proveniente de botellas de aire comprimido.
• Radiactividad intrínseca: Los detectores también contienen pequeñas concentraciones de isótopos radiactivos. Por lo tanto, es necesario minimizar la cantidad de impurezas radiactivas en su interior. Para lograr este objetivo, los materiales utilizados en la construcción del detector fueron analizados minuciosamente con la ayuda del detector GIOVE ^{[ 12 ]} en el laboratorio subterráneo del Instituto Max Planck de Física Nuclear y seleccionados en consecuencia.

A pesar del pequeño volumen de la instalación CONUS de 1,6 m³, el enorme escudo de alta densidad da como resultado una masa total de 11 toneladas. ^{[ 5 ]}

En 2020, el proyecto CONUS publicó los primeros resultados sobre CEνNS utilizando 3,73  kg de material detector activo después de casi 70 días de tiempo de medición efectivo con el reactor encendido y aproximadamente 16 días con el reactor apagado. ^{[ 6 ]} Con estos datos se pudo determinar el límite superior más preciso hasta ahora para la existencia del proceso CEνNS en el régimen totalmente coherente. Este límite constituye información valiosa para la investigación básica de neutrinos, ya que permite probar predicciones sobre la fuerza de CEνNS en la teoría del modelo estándar o en variaciones de la misma. El rendimiento único de los detectores CONUS con sus umbrales de energía muy bajos, niveles de fondo ultrabajos y estabilidad a largo plazo se destaca en la Ref. ^{[ 7 ]}

Con la recopilación de datos adicionales hasta el final de la operación del reactor a finales de 2021 e incluso después, las mejoras adicionales en los sistemas de adquisición de datos y una mejor comprensión del factor de extinción en el germanio, se espera que la sensibilidad del experimento mejore significativamente en los próximos años.

El 9 de enero de 2025, se publicó un artículo en el servidor de preimpresión ArXiv , ^{[ 13 ]} anunciando la posible primera medición de la dispersión elástica coherente neutrino-núcleo de antineutrinos de reactor, que sería la primera observación de la interacción en el régimen de coherencia completa. El artículo afirma una significancia estadística de 3,7σ (5σ se considera el estándar para un descubrimiento en física) y fue publicado en Nature después de la revisión por pares. Después de 119 días de funcionamiento del reactor, se detectaron 395 ± 106 eventos, lo que está de acuerdo con la predicción del modelo estándar de 347 ± 59 eventos.