Deeltjesfysici zijn op jacht naar licht. Niet zomaar licht, maar een karakteristiek signaal geproduceerd door de interactie van bepaalde deeltjes - zoals spookachtige neutrino's, dat zijn neutrale fundamentele deeltjes met een zeer lage massa - met een detector die een atomaire zee van vloeibaar gemaakte edelgassen bevat.

Zelfs als het helderder was, dit lichtsignaal zou door onze ogen niet worden gedetecteerd omdat het in het ultraviolette (UV) bereik van het elektromagnetische spectrum valt. En net zoals onze ogen niet zijn toegerust om UV-licht te zien, de meeste conventionele fotodetectorsystemen voor experimenten met deeltjesfysica werken veel beter in het zichtbare bereik dan in UV.

Echter, nieuw werk bij het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) brengt de kracht van nanotechnologie naar de deeltjesfysica in een poging om fotosensoren beter te laten werken in experimentele omgevingen waar UV-licht wordt geproduceerd, zoals massieve met vloeibare argon gevulde detectormodules.

"We willen graag een enkel materiaal vinden waarmee we een specifiek deeltje kunnen identificeren en geen andere deeltjes kunnen zien. Deze nanodeeltjes helpen ons dichterbij te komen." - Stephen Magill, Argonne hoge-energiefysicus

"Je kunt online fotosensoren kopen bij bedrijven, maar de meeste bevinden zich in het zichtbare bereik, en ze voelen fotonen die we kunnen zien, zichtbaar licht, ", zei de hoge-energiefysicus Stephen Magill van Argonne.

Om hun fotosensoren gevoeliger te maken voor UV-straling, Magill en zijn collega's van Argonne en de Universiteit van Texas in Arlington brachten coatings van verschillende nanodeeltjes aan op conventionele fotodetectoren. In een breed scala van verschillende composities, de resultaten waren dramatisch. De verbeterde fotosensoren vertoonden een significant grotere gevoeligheid voor UV-licht dan de coatingvrije fotodetectoren.

De reden dat de nanodeeltjes werken, volgens Magill, heeft te maken met hun grootte. Kleinere nanodeeltjes kunnen fotonen met kortere golflengten absorberen, die later opnieuw worden uitgezonden als fotonen van langere golflengten met lagere energie, hij zei. Deze overgang, bij wetenschappers bekend als de "Stokes-verschuiving, " zet UV-fotonen om in zichtbare.

"We zijn altijd op zoek naar betere materialen waarmee we onze deeltjes kunnen detecteren, " Magill zei. "We zouden graag een enkel materiaal vinden waarmee we een specifiek deeltje kunnen identificeren en geen andere deeltjes kunnen zien. Deze nanodeeltjes helpen ons dichterbij te komen."

De soorten experimenten waarvoor wetenschappers deze verbeterde fotodetectoren gebruiken, worden beschouwd als onderdeel van de "intensiteitsgrens" van de hoge-energiefysica. Door gevoeliger te zijn voor elk klein ultraviolet signaal dat wordt geproduceerd, deze coatings van nanodeeltjes vergroten de kans op het detecteren van zeldzame gebeurtenissen en kunnen wetenschappers een beter zicht geven op fenomenen zoals neutrino-oscillaties, waarin een neutrino van type verandert.

De voordelen van dit soort nieuw materiaal kunnen ook buiten het bereik van de deeltjesfysica reiken. Magill suggereerde dat de deeltjes zouden kunnen worden verwerkt in een transparant glas dat de hoeveelheid zichtbaar licht in sommige schemerige omgevingen zou kunnen vergroten.

"Er is veel licht tussen 300 nanometer en 400 nanometer dat we niet zien en niet gebruiken, ' zei Magill. 'Door de golflengte te verschuiven, we zouden een manier kunnen creëren waarop dat licht nuttiger kan worden."

Een paper gebaseerd op de studie, "Golflengte-verschuivende eigenschappen van luminescentie-nanodeeltjes voor detectie van hoogenergetische deeltjes en specifieke natuurkundige procesobservatie, " verscheen in de 12 juli editie van Wetenschappelijke rapporten .