I fisici delle particelle sono alla ricerca della luce. Non una luce qualsiasi, ma un segnale caratteristico prodotto dall'interazione di alcune particelle, come i neutrini spettrali, che sono particelle fondamentali neutre con massa molto bassa, con un rivelatore che contiene un mare atomico di gas nobili liquefatti.

Anche se fosse più luminoso, questo segnale luminoso non sarebbe rilevabile dai nostri occhi perché cade nella gamma dell'ultravioletto (UV) dello spettro elettromagnetico. E proprio come i nostri occhi non sono attrezzati per vedere la luce UV, la maggior parte dei sistemi di fotorivelatori convenzionali per esperimenti di fisica delle particelle funzionano molto meglio nel visibile rispetto a quanto non facciano nell'UV.

Però, un nuovo lavoro presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) sta portando la potenza della nanotecnologia nella fisica delle particelle nel tentativo di far funzionare meglio i fotosensori in ambienti sperimentali in cui viene prodotta luce UV, come enormi moduli rivelatori pieni di argon liquido.

"Vorremmo trovare un singolo materiale che ci permetta di identificare una particella specifica e non vedere altre particelle. Queste nanoparticelle ci aiutano ad avvicinarci."—Stephen Magill, Fisico delle alte energie Argonne

"Puoi andare online e acquistare fotosensori da aziende, ma la maggior parte di loro sono nel campo visibile, e percepiscono i fotoni che possiamo vedere, luce visibile, ", ha detto il fisico delle alte energie di Argonne Stephen Magill.

Per rendere i loro fotosensori più sensibili alle radiazioni UV, Magill ei suoi colleghi di Argonne e dell'Università del Texas ad Arlington hanno applicato rivestimenti di diverse nanoparticelle a fotorivelatori convenzionali. Attraverso una vasta gamma di composizioni diverse, i risultati sono stati drammatici. I fotosensori potenziati hanno dimostrato una sensibilità significativamente maggiore alla luce UV rispetto ai fotorilevatori privi di rivestimento.

La ragione per cui le nanoparticelle funzionano, secondo Magill, ha a che fare con le loro dimensioni. Le nanoparticelle più piccole possono assorbire fotoni di lunghezze d'onda più corte, che vengono poi riemessi come fotoni di lunghezze d'onda maggiori con energia minore, Egli ha detto. Questo passaggio, noto agli scienziati come "spostamento di Stokes, " converte i fotoni UV in quelli visibili.

"Cerchiamo sempre di trovare materiali migliori che ci permettano di rilevare le nostre particelle, " Ha detto Magill. "Vorremmo trovare un unico materiale che ci permetta di identificare una particella specifica e non vedere altre particelle. Queste nanoparticelle ci aiutano ad avvicinarci".

I tipi di esperimenti per i quali gli scienziati utilizzano questi fotorivelatori potenziati sono considerati parte della "frontiera dell'intensità" della fisica delle alte energie. Essendo più sensibile a qualunque piccolo segnale ultravioletto venga prodotto, questi rivestimenti di nanoparticelle aumentano le possibilità di rilevare eventi rari e possono consentire agli scienziati una visione migliore di fenomeni come le oscillazioni dei neutrini, in cui un neutrino cambia tipo.

I vantaggi di questo tipo di nuovo materiale potrebbero anche andare oltre la portata della fisica delle particelle. Magill ha suggerito che le particelle potrebbero essere incorporate in un vetro trasparente che potrebbe aumentare la quantità di luce visibile disponibile in alcuni ambienti bui.

"C'è molta luce là fuori tra 300 nanometri e 400 nanometri che non vediamo e non usiamo, "Ha detto Magill. "Spostando la lunghezza d'onda, potremmo creare un modo in cui quella luce diventi più utile."

Un documento basato sullo studio, "Proprietà di spostamento della lunghezza d'onda delle nanoparticelle di luminescenza per il rilevamento di particelle ad alta energia e l'osservazione di processi fisici specifici, " apparso nell'edizione del 12 luglio di Rapporti scientifici .