Lo sforzo congiunto del gruppo di teoria nucleare dell'Università di Jyvaskyla e l'esperimento collaborativo internazionale EXO-200 apre la strada alla risoluzione dei problemi di flusso dell'antineutrino del reattore. La collaborazione EXO-200 è composta da ricercatori di 26 laboratori e l'esperimento è progettato per misurare la massa del neutrino. Come sottoprodotto degli sforzi di calibrazione dell'esperimento, è stato possibile misurare la forma spettrale dell'elettrone del decadimento beta di Xe-137. Questo particolare decadimento è ottimamente adatto per testare un'ipotesi teorica per risolvere l'anomalia dell'antineutrino del reattore di vecchia data e persistente. I risultati delle misurazioni della forma spettrale sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica nel giugno 2020.

I reattori nucleari sono alimentati dalla fissione dell'uranio e del plutonio. I prodotti di fissione ricchi di neutroni decadono per decadimento beta verso la linea di stabilità beta emettendo elettroni e antineutrini elettronici. Ogni decadimento beta produce uno spettro energetico continuo per gli elettroni e gli antineutrini emessi fino a un'energia massima (energia del punto finale beta).

Il numero di elettroni emessi per ogni energia elettronica costituisce la forma spettrale dell'elettrone e il suo complemento descrive la forma spettrale dell'antineutrino.

I reattori nucleari emettono antineutrini con una distribuzione di energia che è somma delle forme spettrali degli antineutrini di tutti i decadimenti beta nel reattore. Questa distribuzione di energia è stata misurata da grandi esperimenti di oscillazione dei neutrini. D'altra parte, questa distribuzione energetica degli antineutrini è stata costruita utilizzando i dati nucleari disponibili sui decadimenti beta dei prodotti di fissione.

Il riferimento consolidato per questa costruzione è il modello Huber-Mueller (HM). Il confronto dello spettro energetico degli antineutrini previsti da HM con quello misurato dagli esperimenti di oscillazione ha rivelato un deficit nel numero di antineutrini misurati e un ulteriore "bump", un ulteriore aumento del numero misurato degli antineutrini tra 4 e 7 MeV di energia antineutrino. Il deficit è stato coniato l'anomalia dell'antineutrino del reattore o l'anomalia del flusso ed è stato associato all'oscillazione dei neutrini ordinari ai cosiddetti neutrini sterili che non interagiscono con la materia ordinaria, e scompaiono così dal flusso di antineutrino emesso dai reattori. Fino a poco tempo fa non c'era una spiegazione convincente per la comparsa della protuberanza nel flusso antineutrino misurato.

Solo di recente è stata discussa quantitativamente una potenziale spiegazione per l'anomalia di flusso e l'urto. Il deficit di flusso e l'urto potrebbero essere associati all'omissione di forme spettrali accurate dei cosiddetti decadimenti beta non unici prima proibiti presi in considerazione per la prima volta nel cosiddetto modello di flusso 'HKSS' (dalle prime lettere dei cognomi degli autori, L. Hayen, J. Kostensalo, N. Severijns, J. Suhonen, del relativo articolo).

Come verificare che le previsioni di flusso e bump HKSS siano affidabili?

"Un modo è misurare le forme spettrali delle transizioni chiave e confrontarle con le previsioni HKSS. Queste misurazioni sono estremamente difficili, ma recentemente un perfetto test case potrebbe essere misurato dalla rinomata collaborazione EXO-200 e il confronto con le previsioni del nostro gruppo teorico potrebbe essere raggiunto in una pubblicazione congiunta [AlKharusi2020] È stata ottenuta una corrispondenza perfetta tra la forma spettrale misurata e prevista dalla teoria, supportando così i calcoli HKSS e le sue conclusioni. Ulteriori misurazioni delle forme spettrali di altre transizioni potrebbero essere previste nel (prossimo) futuro", afferma il professor Jouni Suhonen del Dipartimento di Fisica dell'Università di Jyvaskyla.