Ett tvärvetenskapligt team av forskare ledda av forskare från DIPC, Ikerbasque och UPV/EHU, har visat att det är möjligt att bygga en ultrakänslig sensor baserad på en ny fluorescerande molekyl som kan detektera kärnsönderfallet nyckeln till att veta om en neutrino är sin egen antipartikel eller inte.

Resultaten av denna studie, publicerad i den prestigefyllda tidskriften Natur , har stor potential att bestämma neutrinons natur och därmed svara på grundläggande frågor om universums ursprung.

Varför är vårt universum gjort av materia? Varför finns allt som vi känner det? Dessa frågor är kopplade till ett av de viktigaste olösta problemen inom partikelfysik. Detta problem är det av neutrinons natur, som kan vara en egen antipartikel, som det olyckliga italienska geniet Ettore Majorana hävdade för nästan ett sekel sedan. Om detta vore så, det skulle kunna förklara den mystiska kosmiska asymmetrin mellan materia och antimateria.

Verkligen, vi vet att universum nästan uteslutande består av materia. Dock, Big Bang-teorin förutspår att det tidiga universum innehöll samma mängd materia och antimateriapartiklar. Denna förutsägelse överensstämmer med de "små Big Bangs" som bildas vid protonkollisioner vid CERN:s gigantiska LHC-accelerator, där en symmetrisk produktion av partiklar och antipartiklar alltid observeras. Så, vart tog det tidiga universums antimateria vägen? En möjlig mekanism pekar på förekomsten av tunga neutriner som var dess egen antipartikel, och därför, kan förfalla till både materia och antimateria. Om ett andra fenomen inträffar, kallas brott mot avgift och paritet (det vill säga, om neutrinon i sitt förfall något gynnar produktionen av materia framför antimaterias), då kunde den ha injicerat ett överskott av den första över den andra. Efter att all materia och antimateria i universum hade förintats (med undantag för detta lilla överskott), resultatet skulle bli ett kosmos endast av materia, av resterna från Big Bang. Vi kan säga att vårt universum är en rest av ett skeppsvrak.

Det är möjligt att visa att neutrinon är sin egen antipartikel genom att observera en sällsynt typ av kärnprocess som kallas neutrinolös dubbel beta-sönderfall (bb0nu), där två neutroner (n) i kärnan samtidigt omvandlas till protoner (p) medan två elektroner (e) emitteras ut ur atomen. Denna process kan inträffa i vissa sällsynta isotoper, som Xenon-136, som i sin kärna har 54 p och 82 n, förutom 54 e när är neutral. NÄSTA experimentet (regisserat av J.J. Gómez-Cadenas, DIPC och D. Nygren, UTA), beläget i det underjordiska laboratoriet i Canfranc (LSC), letar efter dessa sönderfall med hjälp av högtrycksgaskammare.

När en Xe-136-atom genomgår spontant bb0nu-sönderfall, resultatet av processen är produktionen av en dubbel laddad jon av Barium-136 (Ba ₂ ⁺ ); med 54 e och en kärna gjord av 56 p och 80 n; och två elektroner (Xe à Ba ₂ ⁺ + 2e).

Än så länge, NÄSTA experiment har fokuserat på att observera dessa två elektroner, vars signal är mycket karakteristisk för processen. Dock, bb0nu-processen som är avsedd att observeras är extremt sällsynt och signalen som förväntas är i storleksordningen ett bb0nu sönderfall per ton gas och exponeringsår. Denna mycket svaga signal kan helt maskeras av bakgrundsljud på grund av den allestädes närvarande naturliga radioaktiviteten. Dock, om förutom att observera de två elektronerna, den bariumjoniserade atomen detekteras också, bakgrundsljudet kan reduceras till noll, eftersom naturlig radioaktivitet inte producerar denna jon. Problemet är att observera en enda jon av Ba ₂ ⁺ mitt i en stor bb0nu-detektor är tekniskt sett så utmanande att den tills nyligen ansågs vara praktiskt taget omöjlig. Dock, ett antal nya verk, den senaste av dem har precis publicerats i tidskriften Natur , tyder på att bedriften trots allt kan vara genomförbar.

Arbetet, tänkt och ledd av forskarna F.P. Cossío, Professor vid universitetet i Baskien (UPV/EHU) och vetenskaplig chef för Ikerbasque, och J.J. Gómez-Cadenas, Professor Ikerbasque vid Donostia International Physics Center (DIPC), innehåller ett tvärvetenskapligt team med forskare från DIPC, UPV/EHU, Ikerbasque, optiklaboratoriet vid universitetet i Murcia (LOUM), Materialfysikcentret (CFM, ett gemensamt centrum CSIC-UPV/EHU), POLYMAT, och University of Texas i Arlington (UTA). Gómez-Cadenas säger, "Resultatet av detta tvärvetenskapliga samarbete som kombinerar, bland andra discipliner, partikelfysik, organisk kemi, ytfysik och optik, är ett tydligt exempel på det engagemang som DIPC nyligen visat för att utveckla nya forskningslinjer. Syftet är inte bara att generera kunskap inom andra områden, skiljer sig från centrumets vanliga, men också att leta efter hybridgrunder och skapa tvärvetenskapliga projekt som, i många fall, som den här, kan vara den mest äkta. "

Forskningen bygger på idén, föreslagit av en av artikelförfattarna, den prestigefyllda vetenskapsmannen D. Nygren (uppfinnare, bland andra enheter av Time Projection Chamber-teknologin som tillämpas av många partikelfysikexperiment, inklusive NÄSTA). 2016, Nygren föreslog möjligheten att fånga Ba ₂ ⁺ med en molekyl som kan bilda ett supramolekylärt komplex med den och ge en tydlig signal när detta inträffar, vilket ger en lämplig molekylär indikator. Nygren och hans grupp på UTA gick sedan in på att designa "on-off"-indikatorer, där molekylens signal förstärks kraftigt när ett supramolekylärt komplex bildas. Gruppen ledd av Cossío och Gómez-Cadenas har följt en annan väg, designa en fluorescerande bicolor-indikator (FBI) som kombinerar en stor intensitetsförbättring och en dramatisk färgförskjutning när molekylen fångar Ba ₂ ⁺ . Syntesen av FBI gjordes under ledning av DIPC-forskaren I. Rivilla. Om en FBI-molekyl utan barium belyses med ultraviolett ljus, den avger fluorescens inom området för grönt ljus, med ett smalt emissionsspektrum på cirka 550 nm. Dock, när denna molekyl fångar Ba ₂ ⁺ , dess emissionsspektrum förskjuts mot blått (420 nm). Kombinationen av båda funktionerna resulterar i en spektakulär förbättring av signalen, vilket gör den mycket lämplig för en framtida Ba ₂ ⁺ detektor.

Det är intressant att notera att de experimentella multifotonmikroskopisystemen som används i LOUM av P. Artals grupp för grön/blå spektraldetektering är baserade på de som tidigare utvecklats för att avbilda hornhinnan i det mänskliga ögat in vivo. Detta är ett exempel på att sammanfläta användningen av en unik teknologi i världen för biomedicinska tillämpningar på ett grundläggande problem med partikelfysik. "Ansträngningen att kombinera grundläggande vetenskap och nya instrumentella implementeringar är avgörande för att öppna nya forskningsvägar för att svara på de många frågor som vi forskare ställer oss själva varje dag, säger J.M. Bueno, Professor i optik vid LOUM.

Som Cossío har förklarat, "den svåraste uppgiften i den kemiska delen av arbetet var att designa en ny molekyl som skulle uppfylla de strikta (nästan omöjliga) krav som ställdes av NÄSTA experiment. Denna molekyl måste vara mycket ljus, fånga barium med extrem effektivitet (bb0nu är en mycket sällsynt händelse och ingen katjon skulle kunna gå till spillo) och avge en specifik signal som skulle göra det möjligt att upptäcka fångsten utan bakgrundsbrus. Dessutom, den kemiska syntesen av den nya FBI-sensorn måste vara effektiv för att ha tillräckligt med ultrarena prover för installation i detektorn. Det mest givande var att kontrollera att, efter många ansträngningar från detta tvärvetenskapliga team, faktiskt vår specifika och ultrakänsliga FBI-sensor fungerade som planerat."

Förutom designen och karaktäriseringen av FBI, uppsatsen erbjuder den första demonstrationen av bildandet av ett supramolekylärt komplex i torrt medium. Detta landmärkeresultat har uppnåtts genom att förbereda ett lager av FBI-indikatorer komprimerade över en kiseldioxidpellet och avdunsta över ett sådant lager ett salt av bariumperklorat. Z. Freixa, Ikerbaskisk professor vid UPV/EHU säger, "Förberedelsen av FBI på kiseldioxid har varit en snabb men inte så smutsig lösning för detta proof of concept. Lite hemalkemi." Vakuumsublimeringsexperimentet gjordes av CSIC-forskaren vid CFM C. Rogero och hennes student P. Herrero-Gómez. Rogero, en expert på ytfysik säger:"Det var ett av de där Eureka-ögonblicken, när vi insåg att vi hade i mitt labb bara verktygen för att fortsätta experimentet. Vi avdunstade perkloratet och fick FBI att lysa i blått nästan vid första försöket. "

Nästa steg i detta forskningsprojekt är konstruktionen av en FBI-baserad sensor för detektering av det neutrinolösa dubbla beta-sönderfallet eller bb0nu, för vilken Gomez-Cadenas, F. Monrabal från DIPC och D. Nygren och medarbetare på UTA håller på att ta fram ett konceptuellt förslag.

Detta arbete är ett betydande framsteg mot att bygga ett framtida "bariummärkning" NÄSTA experiment för att leta efter bullerfria bb0nu-händelser genom identifiering av de två elektronerna och bariumatomen som produceras i reaktionen. Detta experiment skulle ha en stor potential för att ta reda på om neutrinon är sin egen antipartikel, vilket kan leda till svar på grundläggande frågor om universums ursprung.