En blå gnist til at skinne på universets oprindelse

Et tværfagligt team af forskere ledet af forskere fra DIPC, Ikerbasque og UPV/EHU, har vist, at det er muligt at bygge en ultrafølsom sensor baseret på et nyt fluorescerende molekyle, der er i stand til at detektere nukleare henfaldsnøgle til at vide, om en neutrino er sin egen antipartikel.

Resultaterne af denne undersøgelse, offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Natur , har stort potentiale til at bestemme neutrinoens beskaffenhed og dermed besvare grundlæggende spørgsmål om universets oprindelse.

Hvorfor er vores univers lavet af stof? Hvorfor eksisterer alt, som vi kender det? Disse spørgsmål er knyttet til et af de vigtigste uløste problemer inden for partikelfysik. Dette problem er neutrinoens art, som kunne være sin egen antipartikel, som argumenteret af det uheldige italienske geni Ettore Majorana for næsten et århundrede siden. Hvis dette var sådan, det kunne forklare den mystiske kosmiske asymmetri mellem stof og antimateriale.

Ja, vi ved, at universet næsten udelukkende består af stof. Imidlertid, Big Bang -teorien forudsiger, at det tidlige univers indeholdt den samme mængde stof og antimateriepartikler. Denne forudsigelse er i overensstemmelse med de "små big bangs", der dannes ved protonkollisioner ved CERNs kæmpe LHC -accelerator, hvor der altid observeres en symmetrisk produktion af partikler og antipartikler. Så, hvor blev det tidlige universs antimateriale af? En mulig mekanisme peger på eksistensen af ​​tunge neutrinoer, der var dens egen antipartikel, og derfor, kunne forfalde til både stof og antimateriale. Hvis der opstår et andet fænomen, kaldes krænkelse af ansvar og paritet (det vil sige hvis neutrinoen en smule favoriserer i dets forfald produktion af stof frem for antimateriale), så kunne den have injiceret et overskud af den første over den anden. Efter alt materie og antimateriale i universet blev tilintetgjort (med undtagelse af dette lille overskud), resultatet ville være et kosmos, der kun var lavet af stof, af resterne fra Big Bang. Vi kan sige, at vores univers er resten af ​​et skibsvrag.

Det er muligt at demonstrere, at neutrinoen er sin egen antipartikel ved at observere en sjælden type atomproces kaldet neutrinoløst dobbelt beta -henfald (bb0nu), hvor to neutroner (n) i kernen samtidigt transformeres til protoner (p), mens to elektroner (e) udsendes ud af atomet. Denne proces kan ske i nogle sjældne isotoper, såsom Xenon-136, som har i sin kerne 54 p og 82 n, foruden 54 e når er neutral. NÆSTE eksperiment (instrueret af J.J. Gómez-Cadenas, DIPC og D. Nygren, UTA), placeret i det underjordiske laboratorium i Canfranc (LSC), leder efter disse henfald ved hjælp af højtryksgaskamre.

Når et Xe-136-atom undergår spontant bb0nu-henfald, resultatet af processen er produktionen af ​​en dobbeltladet ion af Barium-136 (Ba ₂ ⁺ ); med 54 e og en kerne fremstillet af 56 p og 80 n; og to elektroner (Xe à Ba ₂ ⁺ + 2e).

Indtil nu, det NÆSTE eksperiment har fokuseret på at observere disse to elektroner, hvis signal er meget karakteristisk for processen. Imidlertid, bb0nu -processen, der skal observeres, er ekstremt sjælden, og det forventede signal er af størrelsesordenen et bb0nu -henfald pr. ton gas og eksponeringsår. Dette meget svage signal kan helt maskeres af baggrundsstøj på grund af den allestedsnærværende naturlige radioaktivitet. Imidlertid, hvis ud over at observere de to elektroner, det bariumioniserede atom detekteres også, baggrundsstøj kan reduceres til nul, da naturlig radioaktivitet ikke producerer denne ion. Problemet er, at man observerer en enkelt ion af Ba ₂ ⁺ midt i en stor bb0nu -detektor er teknisk så udfordrende, at den indtil for nylig blev anset for i det væsentlige at være umulig. Imidlertid, en række nyere værker, den seneste er netop blevet offentliggjort i tidsskriftet Natur , tyder på, at bedriften trods alt kan være gennemførlig.

Arbejdet, udtænkt og ledet af forskerne F.P. Cossío, Professor ved universitetet i Baskerlandet (UPV/EHU) og videnskabelig direktør for Ikerbasque, og J.J. Gómez-Cadenas, Professor Ikerbasque ved Donostia International Physics Center (DIPC), omfatter et tværfagligt team med forskere fra DIPC, UPV/EHU, Ikerbasque, optiklaboratoriet ved University of Murcia (LOUM), Materials Physics Center (CFM, et fælles center CSIC-UPV/EHU), POLYMAT, og University of Texas i Arlington (UTA). Gómez-Cadenas siger, "Resultatet af dette tværfaglige samarbejde, der kombinerer, blandt andre discipliner, partikelfysik, organisk kemi, overfladefysik og optik, er et klart eksempel på den forpligtelse, som DIPC for nylig har vist for at udvikle nye forskningslinjer. Formålet er ikke kun at generere viden på andre områder, anderledes end centerets sædvanlige, men også for at lede efter hybridgrunde og skabe tværfaglige projekter, der, i mange tilfælde, som denne, kan være den mest ægte. "

Forskningen er baseret på ideen, foreslået af en af ​​forfatterne til artiklen, den prestigefyldte videnskabsmand D. Nygren (opfinder, blandt andre enheder i Time Projection Chamber -teknologien anvendt ved mange partikelfysiske eksperimenter, inklusive NEXT). I 2016, Nygren foreslog muligheden for at fange Ba ₂ ⁺ med et molekyle, der er i stand til at danne et supramolekylært kompleks med det og til at give et klart signal, når dette sker, hvilket giver en passende molekylær indikator. Nygren og hans gruppe ved UTA gik derefter i gang med at designe "on-off" indikatorer, hvori molekylets signal er stærkt forstærket, når et supermolekylært kompleks dannes. Gruppen ledet af Cossío og Gómez-Cadenas har fulgt en anden vej, designe en fluorescerende bicolor -indikator (FBI), der kombinerer en stor intensitetsforbedring og et dramatisk farveskift, når molekylet fanger Ba ₂ ⁺ . Syntesen af ​​FBI blev udført under ledelse af DIPC -forsker I. Rivilla. Hvis et FBI -molekyle uden barium belyses med ultraviolet lys, det udsender fluorescens i området med grønt lys, med et snævert emissionsspektrum på ca. 550 nm. Imidlertid, når dette molekyle fanger Ba ₂ ⁺ , dets emissionsspektrum skifter mod blå (420 nm). Kombinationen af ​​begge funktioner resulterer i en spektakulær forbedring af signalet, hvilket gør den meget velegnet til en fremtidig Ba ₂ ⁺ detektor.

Det er interessant at bemærke, at de eksperimentelle multiphotonmikroskopisystemer, der blev brugt i LOUM af P. Artals gruppe til grøn/blå spektraldetektion, er baseret på dem, der tidligere er udviklet til billeddannelse af hornhinden i det menneskelige øje in vivo. Dette er et eksempel på sammenflettning af brugen af ​​en unik teknologi i verden til biomedicinske applikationer om et grundlæggende problem med partikelfysik. "Bestræbelsen på at kombinere grundvidenskab og nye instrumentelle implementeringer er afgørende for at åbne nye forskningsveje for at besvare de mange spørgsmål, som vi forskere stiller os selv hver dag, "siger J.M. Bueno, Professor i optik ved LOUM.

Som Cossío har forklaret, "den vanskeligste opgave i den kemiske del af arbejdet var at designe et nyt molekyle, der ville opfylde de strenge (næsten umulige) krav, som NÆSTE eksperiment stiller. Dette molekyle skulle være meget lyst, fange barium med ekstrem effektivitet (bb0nu er en meget sjælden begivenhed og ingen kation kunne spildes) og udsende et specifikt signal, der ville gøre det muligt at registrere optagelsen uden baggrundsstøj. Ud over, den kemiske syntese af den nye FBI-sensor skulle være effektiv for at have nok ultra-rene prøver til installation i detektoren. Den mest givende del var at kontrollere, at efter mange bestræbelser fra dette tværfaglige team, faktisk fungerede vores specifikke og ultrafølsomme FBI-sensor som planlagt. "

Udover designet og karakteriseringen af ​​FBI, papiret tilbyder den første demonstration af dannelsen af ​​et supramolekylært kompleks i tørt medium. Dette milepælsresultat er opnået ved at forberede et lag FBI -indikatorer komprimeret over en silicapellet og fordampe over et sådant lag et salt af bariumperchlorat. Z. Freixa, Ikerbasque Professor ved UPV/EHU siger, "Forberedelsen af ​​FBI på silica har været en hurtig, men ikke så snavset løsning på dette bevis på konceptet. Lidt hjemmealkymi." Vakuumsublimeringsforsøget blev udført af CSIC-forskeren ved CFM C. Rogero og hendes studerende P. Herrero-Gómez. Rogero, en ekspert i overfladefysik siger:"Det var et af de Eureka -øjeblikke, da vi indså, at vi i mit laboratorium kun havde værktøjerne til at fortsætte eksperimentet. Vi fordampede perchloratet og fik FBI til at skinne i blåt næsten ved første forsøg. "

Det næste trin i dette forskningsprojekt er konstruktionen af ​​en FBI -baseret sensor til påvisning af neutrinoløst dobbelt beta -henfald eller bb0nu, hvortil Gomez-Cadenas, F. Monrabal fra DIPC og D. Nygren og samarbejdspartnere ved UTA er ved at udvikle et konceptuelt forslag.

Dette arbejde er et betydeligt fremskridt i retning af at opbygge et fremtidigt 'barium-tagging' NÆSTE eksperiment for at lede efter støjfrie bb0nu-hændelser gennem identifikation af de to elektroner og det bariumatom, der produceres i reaktionen. Dette eksperiment ville have et stort potentiale for at finde ud af, om neutrinoen er sin egen antipartikel, hvilket kunne føre til at besvare grundlæggende spørgsmål om universets oprindelse.