Tecnologia Científica

Uma faísca azul para brilhar na origem do universo
Os resultados deste estudo, publicado na prestigiada revista Nature , têm grande potencial para determinar a natureza do neutrino e, assim, responder a perguntas fundamentais sobre a origem do universo.
Por Universidade do País Basco - 23/06/2020


Representação artística da nova molécula fluorescente que pode lançar luz sobre a
natureza ilusória dos neutrinos. Crédito: Universidade do País Basco

Uma equipe interdisciplinar de cientistas liderada por pesquisadores do DIPC, Ikerbasque e UPV / EHU, demonstrou que é possível construir um sensor ultra-sensível baseado em uma nova molécula fluorescente capaz de detectar a chave do decaimento nuclear para saber se um neutrino é ou não é sua própria antipartícula.

Os resultados deste estudo, publicado na prestigiada revista Nature , têm grande potencial para determinar a natureza do neutrino e, assim, responder a perguntas fundamentais sobre a origem do universo.

Por que nosso universo é feito de matéria? Por que tudo existe como a conhecemos? Essas questões estão ligadas a um dos mais importantes problemas não resolvidos da física de partículas. Esse problema é o da natureza do neutrino, que poderia ser sua própria antipartícula, conforme argumentado pelo infeliz gênio italiano Ettore Majorana, quase um século atrás. Se assim fosse, poderia explicar a misteriosa assimetria cósmica entre matéria e antimatéria.

De fato, sabemos que o universo é feito quase exclusivamente de matéria. No entanto, a teoria do Big Bang prevê que o universo inicial continha a mesma quantidade de matéria e partículas de antimatéria. Essa previsão é consistente com os "pequenos Big Bangs" que se formam em colisões de prótons no acelerador gigante do LHC do CERN, onde sempre é observada uma produção simétrica de partículas e antipartículas. Então, para onde foi a antimatéria do universo primitivo? Um possível mecanismo aponta para a existência de neutrinos pesados ​​que eram sua própria antipartícula e, portanto, poderiam decair na matéria e na antimatéria. Se ocorrer um segundo fenômeno, chamado violação de carga e paridade (isto é, se o neutrino favorece levemente em sua deterioração a produção de matéria sobre a da antimatéria), então poderia ter injetado um excesso do primeiro ao longo do segundo. Depois que toda a matéria e antimatéria do universo foram aniquiladas (com exceção desse pequeno excesso), o resultado seria um cosmos feito apenas de matéria, das sobras do Big Bang. Poderíamos dizer que nosso universo é o remanescente de um naufrágio.

É possível demonstrar que o neutrino é seu próprio antipartícula observando um tipo raro de processo nuclear chamado decaimento beta duplo sem neutrinoless (bb0nu), no qual simultaneamente dois nêutrons (n) do núcleo são transformados em prótons (p) enquanto dois elétrons (e) são emitidos para fora do átomo. Esse processo pode ocorrer em alguns isótopos raros, como o Xenon-136, que possui em seu núcleo 54 p e 82 n, além de 54 e quando é neutro. O experimento NEXT (dirigido por JJ Gómez-Cadenas, DIPC e D. Nygren, UTA), localizado no laboratório subterrâneo de Canfranc (LSC), procura esses decaimentos usando câmaras de gás de alta pressão.
 
Quando um átomo Xe-136 sofre decaimento espontâneo de bb0nu, o resultado do processo é a produção de um íon duplamente carregado de bário-136 (Ba 2 + ); com 54 e e um núcleo formado por 56 p e 80 n; e dois elétrons (Xe à Ba 2 + + 2e).

Até agora, o experimento NEXT se concentrou em observar esses dois elétrons, cujo sinal é muito característico do processo. No entanto, o processo de bb0nu que deve ser observado é extremamente raro e o sinal esperado é da ordem de um decaimento de bb0nu por tonelada de gás e ano de exposição. Este sinal muito fraco pode ser completamente mascarado pelo ruído de fundo devido à radioatividade natural onipresente. No entanto, se além de observar os dois elétrons, o átomo ionizado de bário também é detectado, o ruído de fundo pode ser reduzido a zero, uma vez que a radioatividade natural não produz esse íon. O problema é que observar um único íon de Ba 2 +no meio de um grande detector de bb0nu é tecnicamente tão desafiador que até recentemente era considerado essencialmente inviável. No entanto, vários trabalhos recentes, o último dos quais acaba de ser publicado na revista Nature , sugerem que o feito pode ser possível, afinal.

O trabalho, concebido e liderado pelos pesquisadores FP Cossío, professor da Universidade do País Basco (UPV / EHU) e diretor científico de Ikerbasque, e JJ Gómez-Cadenas, professor Ikerbasque do Donostia International Physics Center (DIPC), incluem uma equipe interdisciplinar com cientistas do DIPC, da UPV / EHU, Ikerbasque, do Laboratório de Ótica da Universidade de Múrcia (LOUM), do Centro de Física dos Materiais (CFM, do centro conjunto CSIC-UPV / EHU), da POLYMAT e da Universidade de Texas em Arlington (UTA). Gómez-Cadenas diz: "O resultado dessa colaboração interdisciplinar que combina, entre outras disciplinas, física de partículas, química orgânica, física de superfície e óptica, é um exemplo claro do compromisso que o DIPC demonstrou recentemente em desenvolver novas linhas de pesquisa.

A pesquisa é baseada na ideia, proposta por um dos autores do artigo, o prestigioso cientista D. Nygren (inventor, entre outros dispositivos da tecnologia Time Projection Chamber aplicada por muitos experimentos de física de partículas, incluindo NEXT). Em 2016, Nygren propôs a viabilidade de capturar Ba 2 +com uma molécula capaz de formar um complexo supramolecular com ele e fornecer um sinal claro quando isso ocorre, produzindo assim um indicador molecular adequado. Nygren e seu grupo na UTA começaram a projetar indicadores "on-off", nos quais o sinal da molécula é altamente aprimorado quando um complexo supra-molecular é formado. O grupo liderado por Cossío e Gómez-Cadenas seguiu um caminho diferente, projetando um indicador bicolor fluorescente (FBI) que combina um grande aprimoramento de intensidade e uma mudança dramática de cor quando a molécula captura Ba 2 +. A síntese do FBI foi feita sob a direção do pesquisador do DIPC I. Rivilla. Se uma molécula do FBI sem bário é iluminada com luz ultravioleta, ela emite fluorescência na faixa de luz verde, com um espectro de emissão estreito de cerca de 550 nm. No entanto, quando essa molécula captura Ba 2 + , seu espectro de emissão muda para azul (420 nm). A combinação de ambos os recursos resulta em uma melhoria espetacular do sinal, tornando-o muito adequado para um futuro detector de Ba 2 + .

É interessante notar que os sistemas experimentais de microscopia multifotônica usados ​​no grupo LOUM pelo grupo P. Artal para a detecção espectral verde / azul são baseados naqueles desenvolvidos anteriormente para imagiologia da córnea do olho humano in vivo. Este é um exemplo de entrelaçamento do uso de uma tecnologia única no mundo para aplicações biomédicas em um problema fundamental da física de partículas . "O esforço para combinar ciência básica e novas implementações instrumentais é essencial para abrir novos caminhos de pesquisa para responder às muitas perguntas que nós, cientistas, nos perguntamos todos os dias", diz JM Bueno, professor de óptica da LOUM.

Como Cossío explicou, "a tarefa mais difícil na parte química do trabalho foi projetar uma nova molécula que atendesse aos requisitos estritos (quase impossíveis) impostos pelo experimento NEXT. Essa molécula tinha que ser muito brilhante, capturar bário com extrema eficiência (bb0nu é um evento muito raro e nenhum cátion pode ser desperdiçado) e emite um sinal específico que permite que a captura seja detectada sem ruído de fundo.Além disso, a síntese química do novo sensor do FBI precisava ser eficiente para para ter amostras ultra-puras suficientes para instalação dentro do detector. A parte mais gratificante foi verificar que, após muitos esforços dessa equipe multidisciplinar, nosso sensor FBI específico e ultra-sensível funcionou conforme o planejado ".

Além do design e caracterização do FBI, o artigo oferece a primeira demonstração da formação de um complexo supramolecular em meio seco. Esse resultado marcante foi alcançado com a preparação de uma camada de indicadores do FBI compactada sobre uma pastilha de sílica e a evaporação dessa camada de um sal de perclorato de bário. Z. Freixa, professor de Ikerbasque na UPV / EHU, diz: "A preparação do FBI em sílica tem sido uma solução rápida, mas não tão suja para essa prova de conceito. Um pouco de alquimia doméstica". O experimento de sublimação a vácuo foi realizado pela cientista do CSIC no CFM C. Rogero e seu aluno P. Herrero-Gómez. Rogero, especialista em física de superfícies, diz: "Foi um daqueles momentos de Eureka, quando percebemos que tínhamos em meu laboratório apenas as ferramentas para realizar o experimento.

O próximo passo deste projeto de pesquisa é a construção de um sensor baseado no FBI para a detecção do decaimento beta duplo sem neutrinoless ou bb0nu, para o qual Gomez-Cadenas, F. Monrabal, do DIPC e D. Nygren e colaboradores da UTA estão desenvolvendo um projeto conceitual. Proposta.

Este trabalho é um avanço significativo para a construção de um futuro experimento 'tagging com bário' para procurar eventos bb0nu sem ruído através da identificação dos dois elétrons e do átomo de bário produzido na reação. Esse experimento teria um grande potencial para descobrir se o neutrino é sua própria antipartícula, o que poderia levar a responder perguntas fundamentais sobre a origem do universo.

 

.
.

Leia mais a seguir