⚛️ high-energy experiments

Measurement of solar $pp$ neutrino flux with the new PandaX-4T data

Utilizando datos de la segunda ejecución del PandaX-4T mejorado combinados con resultados previos, los investigadores informan la primera indicación positiva de la dispersión neutrino solar $pp$--electrón por debajo de 165 keV, rindiendo un flujo medido de $(8.5 \pm 3.5)\times 10^{10}$ $\mathrm{cm^{-2}s^{-1}}$ que es consistente con las predicciones del Modelo Solar Estándar.

Autores originales: PandaX Collaboration, Peiyuan Chen, Wei Chen, Xiaohua Chen, Xun Chen, Yunhua Chen, Chen Cheng, Xiangyi Cui, Yuxin Cui, Manna Deng, Roni Dey, Yingjie Fan, Deqing Fang, Xuanye Fu, Zhixing Gao, Yujie Ge

Publicado 2026-07-03

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CC BY 4.0

Autores originales: PandaX Collaboration, Peiyuan Chen, Wei Chen, Xiaohua Chen, Xun Chen, Yunhua Chen, Chen Cheng, Xiangyi Cui, Yuxin Cui, Manna Deng, Roni Dey, Yingjie Fan, Deqing Fang, Xuanye Fu, Zhixing Gao, Yujie Ge, Lisheng Geng, Xunan Guo, Xuyuan Guo, Zichao Guo, Chencheng Han, Ke Han, Changda He, Jinrong He, Ruquan Hou, Houqi Huang, Junting Huang, Yule Huang, Xiangdong Ji, Yonglin Ju, Xiaorun Lan, Chenxiang Li, Mingchuan Li, Peiyuan Li, Shuaijie Li, Tao Li, Yangdong Li, Yuan Li, Zhiyuan Li, Qing Lin, Jianglai Liu, Yuanchun Liu, Yunyang Luo, Yugang Ma, Yajun Mao, Yue Meng, Binyu Pang, Ningchun Qi, Xiangxiang Ren, Dong Shan, Xiyuan Shao, Manbin Shen, Wenliang Sun, Xuyan Sun, Yi Tao, Yueqiang Tian, Yuxin Tian, Anqing Wang, Guanbo Wang, Hao Wang, Haoyu Wang, Jiamin Wang, Lei Wang, Meng Wang, Qiuhong Wang, Shaobo Wang, Shibo Wang, Siguang Wang, Wei Wang, Xu Wang, Zhou Wang, Yuehuan Wei, Weihao Wu, Yuan Wu, Mengjiao Xiao, Xiang Xiao, Yuhan Xie, Kaizhi Xiong, Jianqin Xu, Yifan Xu, Binbin Yan, Xiyu Yan, Yong Yang, Shunyu Yao, Peihua Ye, Chunxu Yu, Zhe Yuan, Youhui Yun, Minzhen Zhang, Peng Zhang, Shibo Zhang, Shu Zhang, Siyuan Zhang, Tao Zhang, Wei Zhang, Yang Zhang, Yingxin Zhang, Yuanyuan Zhang, Kangkang Zhao, Li Zhao, Jiaxu Zhou, Jiayi Zhou, Jifang Zhou, Ning Zhou, Xiaopeng Zhou, Zhizhen Zhou, Chenhui Zhu

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La visión general: Atrapando fantasmas del Sol

Imagina que el Sol es un horno gigante y resplandeciente en el cielo. En su interior, está cocinando constantemente hidrógeno para convertirlo en helio, un proceso que libera diminutas partículas invisibles llamadas neutrinos. Estas partículas son como fantasmas cósmicos; atraviesan toda la Tierra sin chocar con nada, lo que las hace increíblemente difíciles de atrapar.

El tipo más común de estos fantasmas solares proviene del primer paso del proceso de cocción del Sol (llamado rama "pp"). Los científicos han sabido de ellos durante décadas, pero atraparlos a energías muy bajas es como intentar escuchar un susurro en medio de un huracán.

Este artículo informa sobre un nuevo intento de atrapar estos "susurros" utilizando un tanque gigante de xenón líquido llamado PandaX-4T, ubicado en las profundidades del subsuelo en China.

El detector: Una red gigante e invisible

Imagina el detector PandaX-4T como una piscina masiva de xenón líquido ultra puro, situada a 2.400 metros bajo tierra (bajo una montaña) para bloquear los rayos cósmicos del espacio.

Cómo funciona: Cuando un neutrino solar (el fantasma) finalmente choca con un átomo de xenón en la piscina, crea un destello de luz diminuto y una pequeña carga eléctrica.
La mejora: Antes de esta nueva ejecución (llamada "Run 2"), los científicos mejoraron la "red". Repararon las luces (tubos fotomultiplicadores) para ver destellos más tenues, mejoraron la filtración de agua para eliminar la "suciedad" radiactiva y añadieron un nuevo sistema para capturar el gas radón.
El objetivo: Querían ver si podían detectar la tenue señal de los neutrinos solares rebotando contra los electrones en el xenón, específicamente en niveles de energía muy bajos (por debajo de 165 keV), una región que nunca había sido vista claramente.

El desafío: El problema de la "estática"

El principal problema es que el detector está rodeado de radiactividad natural. Imagina que intentas escuchar un solo violín (el neutrino solar) en una habitación donde mil personas están tosiendo y arrastrando los pies (fondos radiactivos como el Argón-39 y el Kriptón-85).

Para resolver esto, el equipo tuvo que:

Limpiar la habitación: Utilizaron una torre de destilación especial para purgar los gases que causan la "tos" (Argón y Kriptón) del xenón.
Filtrar el ruido: Separaron los datos en dos grupos: uno donde el "ruido" era alto (High-Ar) y otro donde era bajo (Low-Ar), lo que les permitió comparar y restar el fondo.
Análisis ciego: Para evitar hacer trampas (incluso sin querer), los científicos mantuvieron la parte más importante de los datos oculta (ciega) hasta que estuvieron seguros de que sus matemáticas y modelos eran perfectos. Solo entonces "descegaron" los resultados.

Los resultados: Escuchando el susurro

Tras analizar 1,9 años de datos (1,9 toneladas-año de exposición), el equipo encontró algo emocionante:

La señal: Detectaron una señal que coincide con la predicción para los neutrinos solares pp.
La confianza: Tienen una confianza de 2,2 sigma. En el mundo de la física de partículas, esto es como estar un 97% seguro de haber escuchado el violín, aunque todavía no estén un 100% seguros (los científicos suelen buscar 5 sigma, o un 99,9999%, para declarar un "descubrimiento").
La medición: Midieron el flujo de estos neutrinos en aproximadamente 8,5 (con una incertidumbre de 3,5) por centímetro cuadrado por segundo. Este número coincide con el "Modelo Solar Estándar", que es la teoría de libro de texto sobre cómo funciona el Sol.

La "primera" afirmación: Esta es la primera vez que alguien ve una señal positiva de estos neutrinos solares específicos de baja energía rebotando contra electrones por debajo de 165 keV. Experimentos anteriores (como Borexino) los vieron, pero a energías más altas o con métodos diferentes. Esto demuestra que los detectores de xenón líquido son una herramienta viable para este trabajo.

Por qué esto es importante

Piensa en esto como encontrar un nuevo par de gafas.

Gafas antiguas (Centelladores líquidos): Buenas para ver neutrinos solares, pero tienen sus propias limitaciones y ruidos de fondo.
Nuevas gafas (Xenón líquido): Este experimento demuestra que los detectores de xenón líquido también pueden ver estos fantasmas solares, y los ven con un conjunto de "ruidos de fondo" completamente diferente.

Esto le da a los científicos una forma independiente y secundaria de comprobar si nuestra comprensión del Sol es correcta. Si los números del tanque de xenón coinciden con los números de los tanques de centellador líquido, confirma que nuestros modelos solares son sólidos.

Qué sigue

El artículo concluye que, si bien esto es un éxito, la "estática" (el ruido de fondo) sigue siendo demasiado fuerte para escuchar los neutrinos perfectamente. Para obtener una imagen más clara en el futuro, necesitan:

Tanques más grandes: Más xenón significa más oportunidades de atrapar un neutrino.
Tanques más limpios: Formas aún mejores de eliminar la "tos" del Argón y el Kriptón.
Mejor blindaje: Para bloquear el ruido inducido por los materiales.

El equipo sugiere que los futuros detectores, aún más grandes (como PandaX-xT), utilizarán estas lecciones para convertirse en instrumentos de precisión tanto para estudiar el Sol como para la caza de Materia Oscura.

En resumen: El equipo de PandaX-4T mejoró con éxito su detector subterráneo, limpió el ruido radiactivo y captó una señal tenue y positiva de los neutrinos solares más comunes a bajas energías, confirmando que el Sol está ardiendo exactamente como nuestras teorías predicen.

Resumen Técnico: Medición del flujo de neutrinos solares pp con los datos de la Run 2 de PandaX-4T

Problema y motivación
Los neutrinos solares protón-protón (pp) constituyen la fuente primaria de neutrinos solares, originándose en el primer paso de la combustión del hidrógeno. Las mediciones precisas del flujo pp son esenciales para probar el Modelo Estándar Solar (SSM) y la restricción de la luminosidad solar. Además, debido a que el límite de energía de los neutrinos pp es aproximadamente de 420 keV, su probabilidad de oscilación está gobernada predominantemente por la mezcla en vacío, lo que los convierte en una sonda crítica para la región de transición del efecto Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein (MSW) y para la posible física más allá del Modelo Estándar.

La medición directa de los neutrinos pp es experimentalmente desafiante porque el espectro de retroceso electrónico (ER) resultante está restringido a energías bajas (por debajo de unos pocos cientos de keV) y carece de características espectrales nítidas, lo que dificulta su distinción de los fondos radiactivos intrínsecos. Aunque los detectores de centelleo líquido como Borexino han logrado mediciones de alta significación, los cámaras de proyección temporal (TPC) de xenón líquido (LXe) ofrecen un enfoque complementario debido a sus umbrales de energía bajos, grandes blancos homogéneos, reconstrucción de posición tridimensional y fuertes capacidades de auto-blindaje.

Metodología y configuración experimental
Este estudio reporta una medición utilizando el TPC de LXe PandaX-4T ubicado en el Laboratorio Subterráneo China Jinping (CJPL-II), utilizando datos de la Run 2 (5 de julio de 2024 – 23 de enero de 2026). El análisis corresponde a una exposición de 1.9 tonne·yr, lo que representa un aumento de tres veces respecto a los resultados previamente publicados de la Run 0.

Mejoras del detector: Antes de la Run 2, el detector fue sometido a mejoras significativas, incluyendo el reemplazo del cátodo, el rediseño de las bases de división de voltaje para los fotomultiplicadores (PMT) para extender la linealidad hasta 40,000 fotoelectrones, y nuevos paneles de jaula de campo de PTFE con reflectividad mejorada. El escudo externo de agua ultrapura fue actualizado a un sistema de veto de Cherenkov de agua activo.
Purificación y control de fondo: El xenón líquido fue circulado continuamente a través de getters de circonio caliente. Se empleó un sistema de destilación dedicado en "modo inverso" para reducir la actividad de $^{222}$ Rn a un mínimo de $2.9 \pm 0.1$ $\mu$ Bq/kg. Para abordar los niveles elevados de $^{39}$ Ar, se realizaron dos campañas de destilación de argón en línea, dividiendo los datos en los periodos "High-Ar" (233.8 días de vida útil) y "Low-Ar" (204.2 días de vida útil).
Procesamiento de datos: Se implementó una cadena de reconstrucción unificada, fusionando las cadenas de baja energía (materia oscura) y de alta energía (neutrinos) previamente separadas. Esta cadena identifica señales S1 hasta un solo impacto de PMT y mejora la identificación del apilamiento (pileup) de la señal S2.
Estrategia de análisis: Se realizó un análisis espectral ciego sobre los datos de ER en un rango de energía de 20–1000 keV. El análisis utilizó un ajuste de log-verosimilitud para modelar simultáneamente los conjuntos de datos High-Ar y Low-Ar. El modelo de señal incluyó los espectros de dispersión neutrino-electrón de pp y $^7$ Be solares, convolucionados con un modelo de respuesta de energía del detector de cinco parámetros. Los fondos fueron modelados utilizando componentes de materiales del detector (DetM, SSP), impurezas de gases nobles ( $^{39}$ Ar, $^{85}$ Kr, cadenas de $^{222}$ Rn) e isótopos de xenón radiactivos.

Contribuciones y mejoras clave

Aumento de la exposición: El análisis aprovecha una exposición de 1.9 tonne·yr, significativamente mayor que los resultados previos de neutrinos de PandaX-4T.
Mejora de la respuesta del detector: Las mejoras en las bases de los PMT y la adopción de una cadena de reconstrucción unificada mejoraron la linealidad de la energía y redujeron las incertidumbres sistemáticas, particularmente en energías bajas.
Supresión de fondo: La implementación de la destilación en modo inverso redujo significativamente la actividad de $^{222}$ Rn, mientras que las campañas dirigidas de destilación de argón permitieron la separación y el modelado de los fondos de $^{39}$ Ar.
Análisis ciego: Se empleó un procedimiento de desenmascaramiento (unblinding) de múltiples etapas para optimizar el rango de ajuste (20–1000 keV) y el volumen fiducial (1.60 $\pm$ 0.03 toneladas) sin sesgar la extracción de la señal.

Resultados
El ajuste espectral produjo un factor de normalización de neutrinos pp+ $^7$ Be de $\mu = 1.42 \pm 0.63$ , consistente con la predicción del SSM. Al aislar la incertidumbre estadística (0.22) y calcular la incertidumbre sistemática (0.59), los autores derivaron el flujo de pp.

Resultado de la Run 2: El flujo de pp ajustado es de $(8.5 \pm 3.7) \times 10^{10}$ cm $^{-2}$ s $^{-1}$ .
Resultado combinado: Al combinarlo con los datos publicados de la Run 0, la incertidumbre se reduce a $(8.5 \pm 3.5) \times 10^{10}$ cm $^{-2}$ s $^{-1}$ .
Significación: Los datos combinados desfavorecen la hipótesis de cero-pp con una significación estadística de 2.2 $\sigma$ . Esto constituye la primera indicación positiva de la dispersión neutrino-electrón de pp solar por debajo de una energía de retroceso electrónico de 165 keV.

Las incertidumbres sistemáticas dominantes provienen de $^{85}$ Kr y $^{39}$ Ar, que exhiben degeneración espectral con la señal de los neutrinos pp solares.

Significación y afirmaciones
El artículo afirma que esta medición establece a los detectores de xenón líquido como una plataforma complementaria para la física de neutrinos solares de baja energía. El resultado es consistente con la predicción del Modelo Estándar Solar dentro de 1 $\sigma$ . Los autores enfatizan que las incertidumbres sistemáticas en esta medición son enteramente distintas de las de los experimentos de galio y de centelleo líquido, proporcionando una verificación independiente.

Los autores señalan que la sensibilidad actual está limitada por la estadística y, más críticamente, por la degeneración espectral entre el espectro de retroceso suave de pp y los fondos radiactivos de baja energía. Concluyen que los futuros TPC de xenón líquido de múltiples toneladas (por ejemplo, PandaX-xT), con fondos intrínsecos controlados y sistemas de veto externos, serán capaces de extender esta capacidad para servir como sondas de precisión de los neutrinos solares de baja energía, mientras avanzan simultáneamente en las búsquedas de materia oscura.