Detectando el potasio perdido de la Tierra mediante la firma de antimateria de los geoneutrinos

Por qué importa el calor oculto de la Tierra

El interior de la Tierra es lo bastante caliente como para alimentar volcanes, impulsar la tectónica de placas y sostener el campo magnético del planeta, pero los científicos aún no saben con precisión de dónde proviene todo ese calor. Una parte importante del enigma está en partículas diminutas y fantasmas llamadas geoneutrinos, que se liberan cuando elementos radiactivos en el interior de la Tierra se desintegran. Ya hemos detectado geoneutrinos procedentes del uranio y el torio, pero no del potasio-40, una forma rara de potasio que debería ser una fuente de calor importante. Este artículo expone cómo podríamos finalmente detectar la esquiva señal del potasio y, al hacerlo, resolver misterios de larga data sobre la composición y la historia térmica de la Tierra.

El caso del potasio desaparecido

Los modelos de formación de la Tierra sugieren que nuestro planeta debería contener mucho más potasio del que realmente observamos en las rocas de la superficie. En comparación con meteoritos primitivos, la Tierra parece tener entre dos tercios y siete octavos menos potasio del esperado. Una hipótesis es que el potasio se perdió al espacio durante la violenta juventud del planeta; otra es que una gran fracción se hundió en el núcleo. Al mismo tiempo, casi todo el argón-40 de la atmósfera procede de las desintegraciones del potasio-40, y las mediciones actuales muestran también un problema de “argón faltante”. Dado que las desintegraciones del potasio-40 producen tanto calor como antineutrinos en una proporción fija, medir directamente sus geoneutrinos nos diría cuánto potasio está oculto en las profundidades de la Tierra, aclarando cuánto calor radiogénico proporciona ahora y en el pasado, y afinando nuestra imagen de los elementos volátiles de la Tierra, incluida el agua.

Viendo las huellas de la antimateria

Experimentos de neutrinos en Japón e Italia ya han detectado antineutrinos procedentes del uranio y el torio mediante un proceso llamado desintegración beta inversa en hidrógeno, que solo funciona para partículas relativamente energéticas. Los geoneutrinos del potasio-40 son demasiado de baja energía para desencadenar esa reacción. Los autores se centran en cambio en una propiedad diferente: estos geoneutrinos son antimateria y, cuando interactúan, producen positrones, las contrapartes de antimateria de los electrones. Un positrón deja un patrón distintivo: se desacelera, se aniquila con un electrón y genera dos destellos característicos de rayos gamma. El concepto del detector LiquidO captura estos detalles topológicos usando un centelleador líquido “opaco” recorrido por muchas fibras colectoras de luz. En tal medio, la luz permanece cerca del punto donde se produce, de modo que el detector reconstruye la forma y el tiempo finos de cada evento, lo que permite etiquetar positrones y rechazar la mayoría de los fondos radiactivos ordinarios.

Elegir el objetivo atómico adecuado

Para atrapar geoneutrinos del potasio-40, el equipo examina muchos núcleos candidatos que pueden sufrir una reacción análoga a la beta inversa a baja energía. Requieren un umbral de reacción bajo, una probabilidad de interacción razonablemente alta y una abundancia natural elevada para que el detector no necesite enriquecimiento exótico. El cloro y el cobre emergen como las opciones más prometedoras. El cloro tiene buenas propiedades nucleares y puede disolverse en líquidos orgánicos, pero alberga un fallo fatal: el cloro natural contiene trazas de un isótopo de larga vida, el cloro-36, que produce positrones a una tasa que ahogaría completamente la débil señal del potasio. En contraste, el cobre no tiene isótopos emisores de positrones de larga vida, y su principal producto de activación, el cobre-64, es de vida corta y puede suprimirse fuertemente mediante blindaje, operación subterránea y manipulación cuidadosa.

Cómo funcionan juntos el cobre y LiquidO

En el diseño propuesto, un enorme detector LiquidO se carga con una gran fracción de cobre. Cuando un antineutrino del potasio-40 impacta un núcleo de cobre-63, puede transformarlo en níquel-63 mientras emite un positrón. En muchos casos, el níquel-63 se produce en un estado levemente excitado y, tras aproximadamente una microsegundo, emite un rayo gamma de baja energía al relajarse. LiquidO puede capturar la historia completa: primero una traza localizada del positrón culminada por dos destellos de aniquilación gamma, y luego un depósito gamma puntual y retardado en las cercanías. Esta doble firma es extremadamente difícil de imitar por procesos de fondo. Al mismo tiempo, el hidrógeno del centelleador sigue detectando los geoneutrinos más abundantes de uranio y torio, además de antineutrinos de reactores, usando la beta inversa estándar con señal de neutrón. Esas mediciones de alta estadística permiten a los investigadores predecir con precisión cuántos eventos de antineutrinos no procedentes del potasio deberían filtrarse al canal de cobre de baja energía, de modo que cualquier exceso pueda atribuirse al potasio-40.

La escala del desafío

Aun con esta estrategia ingeniosa, los geoneutrinos del potasio-40 interactúan de manera increíblemente rara. Los autores estiman que, para alcanzar un descubrimiento estadísticamente sólido, un detector necesitaría una masa comparable a los mayores experimentos de neutrinos planificados: del orden de decenas de miles a unos pocos cientos de miles de toneladas de líquido centelleador, con el cobre constituyendo hasta la mitad del peso total. Durante diez años de operación, tal instrumento podría recopilar solo unas pocas docenas de eventos de potasio por año, pero suficientes para alcanzar una significancia de 3–5 sigma mientras mide con exquisita precisión los geoneutrinos de uranio y torio. Construir y operar un detector de esta escala, con alta carga de cobre y lectura densa por fibras, exigirá avances importantes en química de centelleadores, ingeniería mecánica y optimización de costes, por lo que los autores imaginan un programa por fases que comience con prototipos más pequeños cerca de reactores nucleares para probar las ideas centrales y calibrar la tasa de interacción en cobre.

Lo que aprenderemos sobre nuestro planeta

Si los geoneutrinos del potasio-40 pueden observarse de esta manera, proporcionarían una medida directa del contenido oculto de potasio de la Tierra y de su contribución al calor interno del planeta. Eso, a su vez, afinaría las estimaciones de la velocidad a la que la Tierra se ha enfriado con el tiempo, cuánto del flujo de calor superficial actual es radiogénico frente a primordial y qué tan estrechamente coincide la composición a gran escala de la Tierra con diferentes modelos basados en meteoritos. Combinadas con datos precisos de geoneutrinos de uranio y torio, las mediciones de potasio ceñirían las restricciones sobre las proporciones de elementos clave, ayudando a resolver los problemas del “potasio faltante” y del “argón faltante” y mejorando nuestra comprensión de los elementos volátiles durante la formación planetaria. En resumen, captar estos tenues susurros de antimateria desde debajo de nuestros pies podría reescribir la historia de cómo se formó, evolucionó y se mantiene viva geológicamente la Tierra.

Cita: LiquidO Collaboration. Probing Earth’s missing potassium using the antimatter signature of geoneutrinos. Commun Phys 9, 95 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02518-6

Palabras clave: geoneutrinos, calor interno de la Tierra, potasio radiactivo, detectores de neutrinos, formación planetaria