First results of the NEXT-100 detector using $^{83m}$Kr decays

En lo profundo del mundo subatómico, existe un evento raro y misterioso que los físicos han estado buscando durante décadas: la desintegración doble beta sin neutrinos. En las reglas estándar de la naturaleza, ciertos átomos pueden transformarse emitiendo dos electrones y dos partículas invisibles llamadas neutrinos. Sin embargo, si existe un tipo específico de neutrino —uno que es su propia antipartícula, conocido como partícula de Majorana—, este proceso podría ocurrir sin liberar esos neutrinos en absoluto. Encontrar esta desintegración reescribiría nuestra comprensión del universo, demostrando que la materia y la antimateria están más profundamente vinculadas de lo que pensábamos. Para captar este evento fugaz, los científicos necesitan detectores de una inmensa sensibilidad y precisión, capaces de distinguir una señal única y rara de un mar de ruido de fondo. El desafío no radica solo en construir un contenedor lo suficientemente grande, sino en asegurar que cada diminuto fragmento de energía liberado en su interior se mida con perfecta claridad.

Un equipo de investigadores conocidos como la colaboración NEXT ha estado trabajando en este desafío utilizando un detector especializado lleno de gas xenón a alta presión. Su último esfuerzo, el experimento NEXT-100, comenzó recientemente su primera fase de operación en las profundidades del subsuelo en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, en España. Esta instalación está diseñada para ser una cámara gigante tridimensional que puede rastrear las trayectorias de los electrones con un detalle increíble. El objetivo es, eventualmente, llenar el detector con una versión pesada y enriquecida de xenón y esperar a que ocurra la rara desintegración. Antes de poder comenzar esa larga búsqueda, sin embargo, deben demostrar que la máquina funciona exactamente como se pretende. En su primer informe principal, el equipo describe cómo probaron la visión del detector utilizando una fuente de energía artificial y segura para mapear su rendimiento y asegurar que es lo suficientemente estable para los años de recolección de datos que tienen por delante.

Para probar la máquina, los investigadores introdujeron una pequeña cantidad de un gas radiactivo llamado criptón-83m en la cámara llena de xenón. Este gas actúa como una fuente de energía perfecta y conocida, que se desintegra de una manera que libera un estallido de energía preciso y diminuto equivalente a 41.5 kiloelectrónvoltios. Debido a que esta energía es tan baja y constante, sirve como una regla fiable contra la cual se puede medir el detector. A medida que los átomos de criptón se desintegran a lo largo del volumen del detector, crean destellos de luz que son captados por dos conjuntos diferentes de sensores. Un conjunto de sensores, ubicado en un extremo del cilindro, mide la cantidad total de luz para determinar la energía del evento. El otro conjunto, una rejilla de diminutos sensores de luz en el lado opuesto, captura la forma y la posición de la luz para reconstruir exactamente dónde ocurrió el evento en tres dimensiones. Al analizar millones de estos eventos, el equipo pudo crear un mapa detallado de cómo responde el detector a la energía en cada punto individual dentro de la cámara.

Los resultados de esta calibración inicial fueron muy alentadores. Los investigadores descubrieron que la respuesta del detector no era perfectamente uniforme; la cantidad de luz recolectada variaba ligeramente dependiendo de dónde ocurría el evento, influenciada por la geometría de la cámara y el comportamiento de los electrones mientras derivaban a través del gas. Sin embargo, al utilizar los datos de las desintegraciones de criptón para crear un mapa de corrección, pudieron ajustar las lecturas y hacer que la visión del detector fuera uniforme en todo el volumen. Tras aplicar estas correcciones, el equipo midió la capacidad del detector para distinguir entre diferentes niveles de energía, una cualidad conocida como resolución de energía. En el volumen completo del detector, lograron una resolución del 4.37 por ciento. Cuando se centraron en una región central, con un comportamiento controlado, que imita las condiciones de su futura operación a alta presión, la resolución mejoró al 4.16 por ciento.

Estas cifras son significativas porque indican que el detector está funcionando mejor de lo previsto en sus objetivos de diseño. El equipo calculó que, si buscaran la energía mucho más alta de la desintegración doble beta sin neutrinos, que es de aproximadamente 2.458 megaelectrónvoltios, el rendimiento del detector escalaría hasta una resolución de energía de aproximadamente el 0.5 por ciento. Esto está muy por debajo del umbral del uno por ciento requerido para separar eficazmente la señal rara del ruido de fondo. Además, el estudio mostró que el detector es notablemente estable en el tiempo. Durante un período de tres meses, los sensores y el gas en su interior se mantuvieron constantes, con la salida de luz variando menos del dos por ciento y la pureza del gas manteniéndose lo suficientemente alta como para permitir que los electrones viajen libremente sin perderse.

El éxito de esta primera ejecución con el detector NEXT-100 marca un paso crítico hacia adelante en la búsqueda de la desintegración doble beta sin neutrinos. Al demostrar que la máquina puede mapear su propio paisaje interno con tal precisión y mantener ese rendimiento a lo largo del tiempo, la colaboración ha validado la tecnología necesaria para la siguiente fase del experimento. El equipo planea aumentar la presión del gas xenón a su nivel operativo total a principios de 2026, momento en el cual el detector estará listo para comenzar su larga búsqueda de la rara desintegración. Por ahora, los datos confirman que el instrumento no solo está construido según las especificaciones correctas, sino que también funciona con la estabilidad y la claridad requeridas para potencialmente descubrir uno de los secretos más profundos del universo.