Un equipo interdisciplinario de científicos liderado por investigadores del DIPC, Ikerbasque y UPV / EHU, ha demostrado que es posible construir un sensor ultrasensible basado en una nueva molécula fluorescente capaz de detectar la desintegración nuclear clave para saber si un neutrino es o no su propia antipartícula.

Los resultados de este estudio, publicado en la prestigiosa revista Naturaleza , tienen un gran potencial para determinar la naturaleza del neutrino y así responder a preguntas fundamentales sobre el origen del universo.

¿Por qué nuestro universo está hecho de materia? ¿Por qué todo existe como lo conocemos? Estas preguntas están relacionadas con uno de los problemas sin resolver más importantes de la física de partículas. Este problema es el de la naturaleza del neutrino, que podría ser su propia antipartícula, como argumentó el desafortunado genio italiano Ettore Majorana hace casi un siglo. Si esto fuera así, podría explicar la misteriosa asimetría cósmica entre materia y antimateria.

En efecto, sabemos que el universo está compuesto casi exclusivamente de materia. Sin embargo, la teoría del Big Bang predice que el universo primitivo contenía la misma cantidad de partículas de materia y antimateria. Esta predicción es consistente con los "pequeños Big Bangs" que se forman en las colisiones de protones en el acelerador gigante del LHC del CERN. donde siempre se observa una producción simétrica de partículas y antipartículas. Entonces, ¿A dónde fue la antimateria del universo primitivo? Un posible mecanismo apunta a la existencia de neutrinos pesados ​​que eran su propia antipartícula, y por lo tanto, podría descomponerse en materia y antimateria. Si ocurre un segundo fenómeno, llamada violación de cargo y paridad (es decir, si el neutrino favorece levemente en su desintegración la producción de materia sobre la de antimateria), entonces podría haber inyectado un exceso del primero sobre el segundo. Después de que toda la materia y la antimateria en el universo fueron aniquiladas (con la excepción de este pequeño exceso), el resultado sería un cosmos hecho solo de materia, de las sobras del Big Bang. Podríamos decir que nuestro universo es el remanente de un naufragio.

Es posible demostrar que el neutrino es su propia antipartícula al observar un tipo raro de proceso nuclear llamado desintegración beta doble sin neutrinos (bb0nu), en el que simultáneamente dos neutrones (n) del núcleo se transforman en protones (p) mientras que dos electrones (e) se emiten fuera del átomo. Este proceso puede ocurrir en algunos isótopos raros, como Xenon-136, que tiene en su núcleo 54 py 82 n, además de 54 e cuando es neutral. El experimento NEXT (dirigido por J.J. Gómez-Cadenas, DIPC y D. Nygren, UTA), ubicado en el laboratorio subterráneo de Canfranc (LSC), busca estas desintegraciones utilizando cámaras de gas de alta presión.

Cuando un átomo de Xe-136 sufre una desintegración bb0nu espontánea, el resultado del proceso es la producción de un ion bario-136 doblemente cargado (Ba ₂ ⁺ ); con 54 e y un núcleo formado por 56 py 80 n; y dos electrones (Xe à Ba ₂ ⁺ + 2e).

Hasta aquí, el SIGUIENTE experimento se ha centrado en la observación de estos dos electrones, cuya señal es muy característica del proceso. Sin embargo, el proceso bb0nu que debe observarse es extremadamente raro y la señal que se espera es del orden de una desintegración bb0nu por tonelada de gas y año de exposición. Esta señal muy débil puede quedar completamente enmascarada por el ruido de fondo debido a la radiactividad natural omnipresente. Sin embargo, si además de observar los dos electrones, también se detecta el átomo ionizado de bario, el ruido de fondo se puede reducir a cero, ya que la radiactividad natural no produce este ion. El problema es que al observar un solo ion de Ba ₂ ⁺ en medio de un gran detector bb0nu es técnicamente tan desafiante que hasta hace poco se consideraba esencialmente inviable. Sin embargo, una serie de trabajos recientes, el último de los cuales se acaba de publicar en la revista Naturaleza , sugieren que la hazaña puede ser factible después de todo.

La obra, concebido y dirigido por los investigadores F.P. Cossío, Catedrático de la Universidad del País Vasco (UPV / EHU) y Director Científico de Ikerbasque, y J.J. Gómez-Cadenas, El profesor Ikerbasque en el Centro Internacional de Física de Donostia (DIPC), incluye un equipo interdisciplinario con científicos de DIPC, la UPV / EHU, Ikerbasque, el Laboratorio de Óptica de la Universidad de Murcia (LOUM), el Centro de Física de Materiales (CFM, un centro común CSIC-UPV / EHU), POLYMAT, y la Universidad de Texas en Arlington (UTA). Gómez-Cadenas dice, "El resultado de esta colaboración interdisciplinar que combina, entre otras disciplinas, partículas fisicas, química Orgánica, física y óptica de superficies, es un claro ejemplo del compromiso que la DIPC ha demostrado recientemente con el desarrollo de nuevas líneas de investigación. El propósito no es solo generar conocimiento en otros campos, diferente a los habituales del centro, sino también buscar terrenos híbridos y crear proyectos interdisciplinarios que, en muchos casos, como éste, puede ser el más genuino ".

La investigación se basa en la idea, propuesto por uno de los autores del artículo, el prestigioso científico D. Nygren (inventor, entre otros dispositivos de la tecnología Time Projection Chamber aplicada por muchos experimentos de física de partículas, incluido SIGUIENTE). En 2016, Nygren propuso la viabilidad de capturar Ba ₂ ⁺ con una molécula capaz de formar un complejo supramolecular con ella y proporcionar una señal clara cuando esto ocurre, produciendo así un indicador molecular adecuado. Nygren y su grupo en UTA se dedicaron a diseñar indicadores "on-off", en el que la señal de la molécula aumenta mucho cuando se forma un complejo supra-molecular. El grupo que lideran Cossío y Gómez-Cadenas ha seguido un camino diferente, diseñar un indicador bicolor fluorescente (FBI) que combina una gran mejora de intensidad y un cambio de color espectacular cuando la molécula captura Ba ₂ ⁺ . La síntesis del FBI se realizó bajo la dirección del investigador del DIPC I. Rivilla. Si una molécula del FBI sin bario se ilumina con luz ultravioleta, emite fluorescencia en el rango de la luz verde, con un espectro de emisión estrecho de aproximadamente 550 nm. Sin embargo, cuando esta molécula captura Ba ₂ ⁺ , su espectro de emisión se desplaza hacia el azul (420 nm). La combinación de ambas funciones da como resultado una mejora espectacular de la señal, lo que lo hace muy adecuado para un futuro Ba ₂ ⁺ detector.

Es interesante observar que los sistemas experimentales de microscopía multifotónica utilizados en el LOUM por el grupo de P. Artal para la detección espectral verde / azul se basan en los desarrollados previamente para obtener imágenes de la córnea del ojo humano in vivo. Este es un ejemplo de cómo entrelazar el uso de una tecnología única en el mundo para aplicaciones biomédicas en un problema fundamental de la física de partículas. "El esfuerzo por combinar la ciencia básica y las nuevas implementaciones instrumentales es esencial para abrir nuevas vías de investigación para responder a las muchas preguntas que los científicos nos hacemos todos los días, "dice J.M. Bueno, Catedrático de Óptica en LOUM.

Como ha explicado Cossío, "La tarea más difícil en la parte química del trabajo fue diseñar una nueva molécula que cumpliera con los estrictos (casi imposibles) requisitos impuestos por el experimento NEXT. Esta molécula tenía que ser muy brillante, capturar bario con extrema eficiencia (bb0nu es un evento muy raro y no se puede desperdiciar ningún catión) y emitir una señal específica que permitiría detectar la captura sin ruido de fondo. Además, la síntesis química del nuevo sensor del FBI tenía que ser eficiente para tener suficientes muestras ultrapuras para su instalación dentro del detector. La parte más gratificante fue comprobar que, tras muchos esfuerzos de este equipo multidisciplinario, de hecho, nuestro sensor específico y ultrasensible del FBI funcionó según lo planeado ".

Además del diseño y caracterización del FBI, el artículo ofrece la primera demostración de la formación de un complejo supramolecular en medio seco. Este resultado histórico se ha logrado preparando una capa de indicadores del FBI comprimida sobre una pastilla de sílice y evaporando sobre dicha capa una sal de perclorato de bario. Z. Freixa, El profesor Ikerbasque de la UPV / EHU dice:"La preparación del FBI sobre sílice ha sido una solución rápida, pero no tan sucia, para esta prueba de concepto. Un poco de alquimia hogareña". El experimento de sublimación al vacío fue realizado por la científica del CSIC del CFM C. Rogero y su alumno P. Herrero-Gómez. Rogero, un experto en física de superficies dice:"Fue uno de esos momentos Eureka, cuando nos dimos cuenta de que teníamos en mi laboratorio solo las herramientas para llevar a cabo el experimento. Evaporamos el perclorato y conseguimos que el FBI brillara en azul casi en el primer intento ".

El siguiente paso de este proyecto de investigación es la construcción de un sensor basado en el FBI para la detección de la desintegración beta doble sin neutrinos o bb0nu, por lo cual Gómez-Cadenas, F. Monrabal de DIPC y D. Nygren y colaboradores de UTA están desarrollando una propuesta conceptual.

Este trabajo es un avance significativo hacia la construcción de un futuro experimento NEXT de 'marcado con bario' para buscar eventos bb0nu libres de ruido a través de la identificación de los dos electrones y el átomo de bario producido en la reacción. Este experimento tendría un gran potencial para descubrir si el neutrino es su propia antipartícula, lo que podría llevar a responder preguntas fundamentales sobre el origen del universo.