Een interdisciplinair team van wetenschappers onder leiding van onderzoekers van DIPC, Ikerbasque en UPV/EHU, heeft aangetoond dat het mogelijk is om een ​​ultragevoelige sensor te bouwen op basis van een nieuw fluorescerend molecuul dat in staat is om de kernvervalsleutel te detecteren om te weten of een neutrino zijn eigen antideeltje is.

De resultaten van deze studie, gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Natuur , hebben een groot potentieel om de aard van het neutrino te bepalen en zo fundamentele vragen over de oorsprong van het heelal te beantwoorden.

Waarom is ons universum gemaakt van materie? Waarom bestaat alles zoals wij het kennen? Deze vragen zijn gekoppeld aan een van de belangrijkste onopgeloste problemen in de deeltjesfysica. Dit probleem is dat van de aard van het neutrino, dat zijn eigen antideeltje zou kunnen zijn, zoals betoogd door het ongelukkige Italiaanse genie Ettore Majorana bijna een eeuw geleden. Als dit zo zou zijn, het zou de mysterieuze kosmische asymmetrie tussen materie en antimaterie kunnen verklaren.

Inderdaad, we weten dat het heelal bijna uitsluitend uit materie bestaat. Echter, de oerknaltheorie voorspelt dat het vroege heelal dezelfde hoeveelheid materie en antimateriedeeltjes bevatte. Deze voorspelling komt overeen met de "kleine oerknal" die ontstaat bij protonbotsingen bij CERN's gigantische LHC-versneller, waar altijd een symmetrische productie van deeltjes en antideeltjes wordt waargenomen. Dus, waar is de antimaterie van het vroege heelal gebleven? Een mogelijk mechanisme wijst op het bestaan ​​van zware neutrino's die zijn eigen antideeltje waren, en daarom, kan vervallen in zowel materie als antimaterie. Als zich een tweede fenomeen voordoet, schending van lading en pariteit genoemd (dat wil zeggen, als het neutrino in zijn verval enigszins de productie van materie begunstigt boven die van antimaterie), dan zou het een overmaat van de eerste over de tweede kunnen hebben geïnjecteerd. Nadat alle materie en antimaterie in het universum waren vernietigd (met uitzondering van deze kleine overmaat), het resultaat zou een kosmos zijn die alleen uit materie bestaat, van de overblijfselen van de oerknal. We zouden kunnen zeggen dat ons universum het overblijfsel is van een scheepswrak.

Het is mogelijk om aan te tonen dat het neutrino zijn eigen antideeltje is door het observeren van een zeldzaam type nucleair proces genaamd neutrinoloos dubbel bètaverval (bb0nu), waarin gelijktijdig twee neutronen (n) van de kern worden omgezet in protonen (p) terwijl twee elektronen (e) uit het atoom worden uitgezonden. Dit proces kan plaatsvinden in sommige zeldzame isotopen, zoals Xenon-136, die in zijn kern 54 p en 82 n heeft, naast 54 e wanneer neutraal is. Het NEXT-experiment (geregisseerd door J.J. Gómez-Cadenas, DIPC en D. Nygren, UTA), gevestigd in het ondergrondse laboratorium van Canfranc (LSC), zoekt naar dit verval met behulp van gaskamers onder hoge druk.

Wanneer een Xe-136-atoom spontaan bb0nu-verval ondergaat, het resultaat van het proces is de productie van een dubbel geladen ion van Barium-136 (Ba ₂ ⁺ ); met 54 e en een kern gemaakt van 56 p en 80 n; en twee elektronen (Xe à Ba ₂ ⁺ + 2e).

Tot dusver, het NEXT-experiment was gericht op het observeren van deze twee elektronen, waarvan het signaal zeer kenmerkend is voor het proces. Echter, het bb0nu-proces dat moet worden waargenomen, is uiterst zeldzaam en het verwachte signaal is in de orde van grootte van één bb0nu-verval per ton gas en jaar blootstelling. Dit zeer zwakke signaal kan volledig worden gemaskeerd door achtergrondgeluid vanwege de alomtegenwoordige natuurlijke radioactiviteit. Echter, als naast het observeren van de twee elektronen, het met barium geïoniseerde atoom wordt ook gedetecteerd, het achtergrondgeluid kan tot nul worden teruggebracht, aangezien natuurlijke radioactiviteit dit ion niet produceert. Het probleem is dat het observeren van een enkel ion van Ba ₂ ⁺ in het midden van een grote bb0nu-detector is technisch zo uitdagend dat het tot voor kort in wezen onhaalbaar werd geacht. Echter, een aantal recente werken, waarvan de laatste zojuist in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur , suggereren dat de prestatie toch haalbaar kan zijn.

Het werk, bedacht en geleid door de onderzoekers F.P. Cossio, Professor aan de Universiteit van Baskenland (UPV/EHU) en wetenschappelijk directeur van Ikerbasque, en J.J. Gomez-Cadenas, Professor Ikerbasque aan het Donostia International Physics Centre (DIPC), omvat een interdisciplinair team met wetenschappers van DIPC, de UPV/EHU, Ikerbaskisch, het optisch laboratorium van de Universiteit van Murcia (LOUM), het materiaalfysicacentrum (CFM, een gezamenlijk centrum CSIC-UPV/EHU), POLYMAT, en de Universiteit van Texas in Arlington (UTA). Gomez-Cadenas zegt, "Het resultaat van deze interdisciplinaire samenwerking die combineert, onder andere disciplines, deeltjesfysica, organische chemie, oppervlaktefysica en optica, is een duidelijk voorbeeld van de inzet die DIPC recentelijk heeft getoond om nieuwe onderzoekslijnen te ontwikkelen. Het doel is niet alleen om kennis op andere gebieden te genereren, anders dan de gebruikelijke in het centrum, maar ook om hybride gronden te zoeken en interdisciplinaire projecten te creëren die, vaak, zoals deze, kan het meest oprecht zijn."

Het onderzoek is gebaseerd op het idee, voorgesteld door een van de auteurs van het artikel, de prestigieuze wetenschapper D. Nygren (uitvinder, onder andere apparaten van de Time Projection Chamber-technologie toegepast door veel deeltjesfysica-experimenten, inclusief VOLGENDE). in 2016, Nygren stelde de haalbaarheid voor om Ba . vast te leggen ₂ ⁺ met een molecuul dat er een supramoleculaire complex mee kan vormen en een duidelijk signaal kan geven wanneer dit gebeurt, waardoor een geschikte moleculaire indicator wordt verkregen. Nygren en zijn groep bij UTA gingen toen aan de slag met het ontwerpen van "aan-uit"-indicatoren, waarbij het signaal van het molecuul sterk wordt versterkt wanneer een supramoleculair complex wordt gevormd. De groep onder leiding van Cossío en Gómez-Cadenas heeft een ander pad gevolgd, het ontwerpen van een fluorescerende tweekleurige indicator (FBI) die een grote intensiteitsverbetering en een dramatische kleurverschuiving combineert wanneer het molecuul Ba vangt ₂ ⁺ . De synthese van FBI werd gedaan onder leiding van DIPC-onderzoeker I. Rivilla. Als een FBI-molecuul zonder barium wordt verlicht met ultraviolet licht, het straalt fluorescentie uit in het bereik van groen licht, met een smal emissiespectrum van ongeveer 550 nm. Echter, wanneer dit molecuul Ba . vangt ₂ ⁺ , het emissiespectrum verschuift naar blauw (420 nm). De combinatie van beide eigenschappen resulteert in een spectaculaire verbetering van het signaal, waardoor het zeer geschikt is voor een toekomstige Ba ₂ ⁺ detector.

Het is interessant op te merken dat de experimentele multifotonmicroscopiesystemen die in de LOUM door de groep van P. Artal voor de groen/blauwe spectrale detectie worden gebruikt, gebaseerd zijn op de systemen die eerder zijn ontwikkeld voor het in vivo afbeelden van het hoornvlies van het menselijk oog. Dit is een voorbeeld van het verweven van het gebruik van een unieke technologie in de wereld voor biomedische toepassingen op een fundamenteel probleem van de deeltjesfysica. "De inspanning om basiswetenschap en nieuwe instrumentele implementaties te combineren, is essentieel om nieuwe onderzoekswegen te openen om de vele vragen te beantwoorden die wij wetenschappers onszelf elke dag stellen, " zegt JM Bueno, Hoogleraar optica bij LOUM.

Zoals Cossío heeft uitgelegd, "de moeilijkste taak in het chemische deel van het werk was om een ​​nieuw molecuul te ontwerpen dat zou voldoen aan de strikte (bijna onmogelijke) eisen die door het NEXT-experiment werden opgelegd. Dit molecuul moest heel helder zijn, vang barium met extreme efficiëntie (bb0nu is een zeer zeldzame gebeurtenis en er kan geen kation worden verspild) en zend een specifiek signaal uit waarmee de vangst kan worden gedetecteerd zonder achtergrondruis. In aanvulling, de chemische synthese van de nieuwe FBI-sensor moest efficiënt zijn om voldoende ultrazuivere monsters te hebben voor installatie in de detector. Het meest lonende deel was om dat te controleren, na vele inspanningen van dit multidisciplinaire team, eigenlijk werkte onze specifieke en ultragevoelige FBI-sensor zoals gepland."

Naast het ontwerp en de karakterisering van FBI, het papier biedt de eerste demonstratie van de vorming van een supramoleculaire complex in droog medium. Dit baanbrekende resultaat is bereikt door een laag FBI-indicatoren te maken die over een silicapellet zijn gecomprimeerd en over een dergelijke laag een zout van bariumperchloraat te verdampen. Z. Freixa, Ikerbaskische professor aan de UPV/EHU zegt:"De voorbereiding van de FBI op silica was een snelle, maar niet zo vuile oplossing voor dit proof-of-concept. Een beetje huisalchemie." Het vacuümsublimatie-experiment werd gedaan door de CSIC-wetenschapper van CFM C. Rogero en haar student P. Herrero-Gómez. Rogero, een expert in fysica van oppervlakken zegt:"Het was een van die Eureka-momenten, toen we ons realiseerden dat we in mijn lab alleen de tools hadden om het experiment uit te voeren. We hebben het perchloraat verdampt en de FBI bijna bij de eerste poging blauw laten schijnen."

De volgende stap van dit onderzoeksproject is de constructie van een op de FBI gebaseerde sensor voor de detectie van het neutrinoloze dubbele bètaverval of bb0nu, waarvoor Gomez-Cadenas, F. Monrabal van DIPC en D. Nygren en medewerkers van UTA werken aan een conceptueel voorstel.

Dit werk is een belangrijke stap vooruit in de richting van het bouwen van een toekomstig 'barium-tagging' NEXT-experiment om te zoeken naar ruisvrije bb0nu-gebeurtenissen door de identificatie van de twee elektronen en het bariumatoom dat in de reactie wordt geproduceerd. Dit experiment zou een groot potentieel hebben om uit te vinden of het neutrino zijn eigen antideeltje is, die zouden kunnen leiden tot het beantwoorden van fundamentele vragen over de oorsprong van het heelal.