Un team interdisciplinare di scienziati guidati da ricercatori del DIPC, Ikerbasque e UPV/EHU, ha dimostrato che è possibile costruire un sensore ultrasensibile basato su una nuova molecola fluorescente in grado di rilevare la chiave di decadimento nucleare per sapere se un neutrino è o meno la propria antiparticella.

I risultati di questo studio, pubblicato sulla prestigiosa rivista Natura , hanno un grande potenziale per determinare la natura del neutrino e quindi rispondere a domande fondamentali sull'origine dell'universo.

Perché il nostro universo è fatto di materia? Perché tutto esiste come lo conosciamo? Queste domande sono legate a uno dei più importanti problemi irrisolti della fisica delle particelle. Questo problema è quello della natura del neutrino, che potrebbe essere la sua stessa antiparticella, come sosteneva lo sfortunato genio italiano Ettore Majorana quasi un secolo fa. Se fosse così, potrebbe spiegare la misteriosa asimmetria cosmica tra materia e antimateria.

Infatti, sappiamo che l'universo è fatto quasi esclusivamente di materia. Però, la teoria del Big Bang prevede che l'universo primordiale contenesse la stessa quantità di particelle di materia e antimateria. Questa previsione è coerente con i "piccoli Big Bang" che si formano nelle collisioni di protoni al gigantesco acceleratore LHC del CERN, dove si osserva sempre una produzione simmetrica di particelle e antiparticelle. Così, dove è andata a finire l'antimateria dell'universo primordiale? Un possibile meccanismo indica l'esistenza di neutrini pesanti che erano la sua stessa antiparticella, e quindi, potrebbe decadere sia in materia che in antimateria. Se si verifica un secondo fenomeno, chiamata violazione di carica e parità (cioè, se il neutrino favorisce leggermente nel suo decadimento la produzione di materia rispetto a quella di antimateria), allora avrebbe potuto iniettare un eccesso del primo sul secondo. Dopo che tutta la materia e l'antimateria nell'universo sono state annientate (con l'eccezione di questo piccolo eccesso), il risultato sarebbe un cosmo fatto solo di materia, degli avanzi del Big Bang. Potremmo dire che il nostro universo è il residuo di un naufragio.

È possibile dimostrare che il neutrino è la sua antiparticella osservando un raro tipo di processo nucleare chiamato doppio decadimento beta senza neutrini (bb0nu), in cui contemporaneamente due neutroni (n) del nucleo vengono trasformati in protoni (p) mentre due elettroni (e) vengono emessi dall'atomo. Questo processo può avvenire in alcuni rari isotopi, come Xenon-136, che ha nel suo nucleo 54 p e 82 n, oltre a 54 e quando è neutro. L'esperimento NEXT (diretto da J.J. Gómez-Cadenas, DIPC e D. Nygren, UTA), situato nel laboratorio sotterraneo di Canfranc (LSC), cerca questi decadimenti utilizzando camere a gas ad alta pressione.

Quando un atomo Xe-136 subisce un decadimento spontaneo bb0nu, il risultato del processo è la produzione di uno ione doppiamente caricato di Bario-136 (Ba ₂ ⁺ ); con 54 e e un nucleo composto da 56 p e 80 n; e due elettroni (Xe à Ba ₂ ⁺ + 2e).

Finora, l'esperimento NEXT si è concentrato sull'osservazione di questi due elettroni, il cui segnale è molto caratteristico del processo. Però, il processo bb0nu che si intende osservare è estremamente raro e il segnale atteso è dell'ordine di un decadimento bb0nu per tonnellata di gas e anno di esposizione. Questo segnale molto debole può essere completamente mascherato dal rumore di fondo dovuto all'onnipresente radioattività naturale. Però, se oltre ad osservare i due elettroni, viene rilevato anche l'atomo ionizzato di bario, il rumore di fondo può essere ridotto a zero, poiché la radioattività naturale non produce questo ione. Il problema è che osservando un singolo ione di Ba ₂ ⁺ in mezzo a un grande rivelatore bb0nu è tecnicamente così impegnativo che fino a poco tempo è stato considerato sostanzialmente irrealizzabile. Però, alcuni lavori recenti, l'ultimo dei quali è stato appena pubblicato sulla rivista Natura , suggeriscono che l'impresa potrebbe essere fattibile dopo tutto.

Il lavoro, ideato e condotto dai ricercatori F.P. Cossio, Professore all'Università dei Paesi Baschi (UPV/EHU) e Direttore Scientifico di Ikerbasque, e J.J. Gómez-Cadenas, Professor Ikerbasque al Centro Internazionale di Fisica di Donostia (DIPC), comprende un team interdisciplinare con scienziati del DIPC, l'UPV/EHU, Ikerbasque, il Laboratorio di Ottica dell'Università di Murcia (LOUM), il Centro di Fisica dei Materiali (CFM, un centro comune CSIC-UPV/EHU), POLYMAT, e l'Università del Texas ad Arlington (UTA). Gómez-Cadenas dice, "Il risultato di questa collaborazione interdisciplinare che unisce, tra le altre discipline, fisica delle particelle, chimica organica, fisica e ottica di superficie, è un chiaro esempio dell'impegno che il DIPC ha recentemente dimostrato nello sviluppo di nuove linee di ricerca. Lo scopo non è solo quello di generare conoscenza in altri campi, diverse da quelle abituali del centro, ma anche cercare terreni ibridi e realizzare progetti interdisciplinari che, in molti casi, come questo, può essere il più genuino."

La ricerca si basa sull'idea, proposto da uno degli autori dell'articolo, il prestigioso scienziato D. Nygren (inventore, tra gli altri dispositivi della tecnologia Time Projection Chamber applicata da molti esperimenti di fisica delle particelle, compreso SUCCESSIVO). Nel 2016, Nygren ha proposto la fattibilità di catturare Ba ₂ ⁺ con una molecola in grado di formare con essa un complesso supramolecolare e di fornire un segnale chiaro quando ciò si verifica, ottenendo così un indicatore molecolare adatto. Nygren e il suo gruppo all'UTA si sono poi dedicati alla progettazione di indicatori "on-off", in cui il segnale della molecola è fortemente potenziato quando si forma un complesso supramolecolare. Il gruppo guidato da Cossío e Gómez-Cadenas ha seguito un percorso diverso, progettando un indicatore bicolore fluorescente (FBI) che combina un grande miglioramento dell'intensità e un drammatico cambiamento di colore quando la molecola cattura Ba ₂ ⁺ . La sintesi dell'FBI è stata effettuata sotto la direzione del ricercatore DIPC I. Rivilla. Se una molecola dell'FBI senza bario viene illuminata con luce ultravioletta, emette fluorescenza nella gamma della luce verde, con uno spettro di emissione ristretto di circa 550 nm. Però, quando questa molecola cattura Ba ₂ ⁺ , il suo spettro di emissione si sposta verso il blu (420 nm). La combinazione di entrambe le caratteristiche si traduce in uno spettacolare miglioramento del segnale, rendendolo così molto adatto per un futuro Ba ₂ ⁺ rivelatore.

È interessante notare che i sistemi sperimentali di microscopia multifotonica utilizzati nel LOUM dal gruppo di P. Artal per il rilevamento spettrale verde/blu si basano su quelli sviluppati in precedenza per l'imaging della cornea dell'occhio umano in vivo. Questo è un esempio di interlacciamento dell'uso di una tecnologia unica al mondo per applicazioni biomediche su un problema fondamentale della fisica delle particelle. "Lo sforzo di combinare scienza di base e nuove implementazioni strumentali è essenziale per aprire nuove strade di ricerca per rispondere alle tante domande che noi scienziati ci poniamo ogni giorno, " dice J.M. Bueno, Professore di Ottica al LOUM.

Come ha spiegato Cossío, "il compito più difficile nella parte chimica del lavoro è stato quello di progettare una nuova molecola che soddisfacesse i severi (quasi impossibili) requisiti imposti dall'esperimento NEXT. Questa molecola doveva essere molto brillante, catturare il bario con estrema efficienza (bb0nu è un evento molto raro e nessun catione potrebbe essere sprecato) ed emettere un segnale specifico che permetterebbe di rilevare la cattura senza rumore di fondo. Inoltre, la sintesi chimica del nuovo sensore dell'FBI doveva essere efficiente per avere campioni ultrapuri sufficienti per l'installazione all'interno del rivelatore. La parte più gratificante è stata quella di verificare che, dopo molti sforzi da parte di questo team multidisciplinare, in realtà il nostro sensore FBI specifico e ultrasensibile ha funzionato come previsto."

Oltre alla progettazione e caratterizzazione dell'FBI, l'articolo offre la prima dimostrazione della formazione di un complesso supramolecolare in ambiente secco. Questo risultato fondamentale è stato ottenuto preparando uno strato di indicatori FBI compressi su un pellet di silice e facendo evaporare su tale strato un sale di perclorato di bario. Z. Freixa, Ikerbasque Professor presso l'UPV/EHU afferma:"La preparazione dell'FBI sulla silice è stata una soluzione rapida ma non così sporca per questa prova di concetto. Un po' di alchimia domestica". L'esperimento di sublimazione sotto vuoto è stato fatto dallo scienziato CSIC al CFM C. Rogero e dal suo studente P. Herrero-Gómez. Ruggero, un esperto di fisica delle superfici dice:"Era uno di quei momenti Eureka, quando ci siamo resi conto che nel mio laboratorio avevamo solo gli strumenti per portare avanti l'esperimento. Abbiamo fatto evaporare il perclorato e l'FBI ha brillato di blu quasi al primo tentativo".

Il prossimo passo di questo progetto di ricerca è la costruzione di un sensore basato sull'FBI per la rivelazione del doppio decadimento beta senza neutrini o bb0nu, per cui Gomez-Cadenas, F. Monrabal del DIPC e D. Nygren e collaboratori di UTA stanno sviluppando una proposta concettuale.

Questo lavoro è un progresso significativo verso la costruzione di un futuro esperimento NEXT di "marcatura del bario" per cercare eventi bb0nu privi di rumore attraverso l'identificazione dei due elettroni e dell'atomo di bario prodotto nella reazione. Questo esperimento avrebbe un grande potenziale per scoprire se il neutrino è la sua stessa antiparticella, che potrebbe portare a rispondere a domande fondamentali sull'origine dell'universo.