Partikelfysiker är på jakt efter ljus. Inte vilket ljus som helst, men en karakteristisk signal som produceras av samverkan mellan vissa partiklar – som spöklika neutrinos, som är neutrala fundamentala partiklar med mycket låg massa — med en detektor som innehåller ett atomhav av flytande ädelgaser.

Även om det vore ljusare, denna ljussignal skulle inte kunna upptäckas av våra ögon eftersom den faller inom det elektromagnetiska spektrumets ultravioletta (UV) intervall. Och precis som våra ögon inte är utrustade för att se UV-ljus, de flesta konventionella fotodetektorsystem för partikelfysikexperiment fungerar mycket bättre i det synliga området än de gör i UV.

Dock, nytt arbete vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory ger nanoteknologins kraft till partikelfysik i ett försök att få fotosensorer att fungera bättre i experimentella miljöer där UV-ljus produceras, som massiva flytande argon-fyllda detektormoduler.

"Vi skulle vilja hitta ett enda material som gör att vi kan identifiera en specifik partikel och inte se andra partiklar. Dessa nanopartiklar hjälper oss att komma närmare." – Stephen Magill, Argonne högenergifysiker

"Du kan gå online och köpa fotosensorer från företag, men de flesta av dem är inom det synliga området, och de känner av fotoner som vi kan se, synligt ljus, " sa Argonne högenergifysiker Stephen Magill.

För att göra deras fotosensorer mer känsliga för UV-strålning, Magill och hans kollegor vid Argonne och University of Texas i Arlington applicerade beläggningar av olika nanopartiklar på konventionella fotodetektorer. Över ett brett utbud av varierande kompositioner, resultaten var dramatiska. De förbättrade fotosensorerna visade betydligt större känslighet för UV-ljus än de beläggningsfria fotodetektorerna.

Anledningen till att nanopartiklarna fungerar, enligt Magill, har med deras storlek att göra. Mindre nanopartiklar kan absorbera fotoner med kortare våglängder, som senare återutsänds som fotoner med längre våglängder med lägre energi, han sa. Denna övergång, känd för forskare som "Stokes shift, " konverterar UV-fotoner till synliga.

"Vi letar alltid efter bättre material som gör att vi kan upptäcka våra partiklar, ", sa Magill. "Vi skulle vilja hitta ett enda material som gör att vi kan identifiera en specifik partikel och inte se andra partiklar. Dessa nanopartiklar hjälper till att komma oss närmare."

De typer av experiment för vilka forskare använder dessa förbättrade fotodetektorer anses vara en del av "intensitetsgränsen" för högenergifysik. Genom att vara mer känslig för vilken liten ultraviolett signal som än produceras, dessa nanopartikelbeläggningar ökar chanserna att upptäcka sällsynta händelser och kan ge forskare en bättre bild av fenomen som neutrinoscillationer, där en neutrino byter typ.

Fördelarna med denna typ av nytt material kan också sträcka sig utanför partikelfysikens räckvidd. Magill föreslog att partiklarna skulle kunna införlivas i ett genomskinligt glas som kunde öka mängden synligt ljus tillgängligt i vissa mörka miljöer.

"Det finns mycket ljus där ute mellan 300 nanometer och 400 nanometer som vi inte ser och inte använder, ", sa Magill. "Genom att ändra våglängden, vi skulle kunna skapa ett sätt för det ljuset att bli mer användbart."

Ett papper baserat på studien, "Våglängdsförskjutande egenskaper hos luminescensnanopartiklar för högenergipartikeldetektering och specifik fysikprocessobservation, " dök upp i 12 juli-upplagan av Vetenskapliga rapporter .