Uma equipe interdisciplinar de cientistas liderada por pesquisadores do DIPC, Ikerbasque e UPV / EHU, demonstrou que épossí­vel construir um sensor ultra-sensa­vel baseado em uma nova molanãcula fluorescente capaz de detectar a chave do decaimento nuclear para saber se um neutrino éou não ésua própria antiparta­cula.

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

Por que nosso universo éfeito de matéria? Por que tudo existe como a conhecemos? Essas questões estãoligadas a um dos mais importantes problemas não resolvidos da física de partículas Esse problema éo da natureza do neutrino, que poderia ser sua própria antiparta­cula, conforme argumentado pelo infeliz gaªnio italiano Ettore Majorana, quase um século atrás. Se assim fosse, poderia explicar a misteriosa assimetria ca³smica entre matéria e antimatéria.

De fato, sabemos que o universo éfeito quase exclusivamente de matéria. No entanto, a teoria do Big Bang prevaª que o universo inicial continha a mesma quantidade de matéria epartículas de antimatéria. Essa previsão éconsistente com os "pequenos Big Bangs" que se formam em colisaµes de pra³tons no acelerador gigante do LHC do CERN, onde sempre éobservada uma produção simanãtrica departículas e antipartículas Então, para onde foi a antimatéria do universo primitivo? Um possí­vel mecanismo aponta para a existaªncia de neutrinos pesados ​​que eram sua própria antiparta­cula e, portanto, poderiam decair na matéria e na antimatéria. Se ocorrer um segundo fena´meno, chamado violação de carga e paridade (isto anã, 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. Podera­amos dizer que nosso universo éo remanescente de um naufra¡gio.

a‰ possí­vel demonstrar que o neutrino éseu pra³prio antiparta­cula observando um tipo raro de processo nuclear chamado decaimento beta duplo sem neutrinoless (bb0nu), no qual simultaneamente dois naªutrons (n) do núcleo são transformados em pra³tons (p) enquanto dois elanãtrons (e) são emitidos para fora do a¡tomo. Esse processo pode ocorrer em alguns isãotopos raros, como o Xenon-136, que possui em seu núcleo 54 p e 82 n, além de 54 e quando éneutro. O experimento NEXT (dirigido por JJ Ga³mez-Cadenas, DIPC e D. Nygren, UTA), localizado no laboratório subterra¢neo de Canfranc (LSC), procura esses decaimentos usando ca¢maras de gás de alta pressão.

Quando um a¡tomo Xe-136 sofre decaimento esponta¢neo de bb0nu, o resultado do processo éa produção de um a­on duplamente carregado de ba¡rio-136 (Ba 2 + ); com 54 e e um núcleo formado por 56 p e 80 n; e dois elanãtrons (Xe a  Ba 2 + + 2e).

Atéagora, o experimento NEXT se concentrou em observar esses dois elanãtrons, cujo sinal émuito caractera­stico do processo. No entanto, o processo de bb0nu que deve ser observado éextremamente raro e o sinal esperado éda ordem de um decaimento de bb0nu por tonelada de gás e ano de exposição. Este sinal muito fraco pode ser completamente mascarado pelo rua­do de fundo devido a  radioatividade natural onipresente. No entanto, se além de observar os dois elanãtrons, o a¡tomo ionizado de ba¡rio também édetectado, o rua­do de fundo pode ser reduzido a zero, uma vez que a radioatividade natural não produz esse a­on. O problema éque observar um aºnico a­on de Ba 2 +no meio de um grande detector de bb0nu étecnicamente tão desafiador que atérecentemente era considerado essencialmente invia¡vel. 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 Cossa­o, professor da Universidade do Paa­s Basco (UPV / EHU) e diretor cienta­fico de Ikerbasque, e JJ Ga³mez-Cadenas, professor Ikerbasque do Donostia International Physics Center (DIPC), incluem uma equipe interdisciplinar com cientistas do DIPC, da UPV / EHU, Ikerbasque, do Laborata³rio de a“tica da Universidade de Maºrcia (LOUM), do Centro de Fa­sica dos Materiais (CFM, do centro conjunto CSIC-UPV / EHU), da POLYMAT e da Universidade de Texas em Arlington (UTA). Ga³mez-Cadenas diz: "O resultado dessa colaboração interdisciplinar que combina, entre outras disciplinas, física departículas, química orga¢nica, física desuperfÍcie e a³ptica, éum exemplo claro do compromisso que o DIPC demonstrou recentemente em desenvolver novas linhas de pesquisa.

A pesquisa ébaseada 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 departículas, incluindo NEXT). Em 2016, Nygren propa´s a viabilidade de capturar Ba 2 +com uma molanãcula 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 começam a projetar indicadores "on-off", nos quais o sinal da molanãcula éaltamente aprimorado quando um complexo supra-molecular éformado. O grupo liderado por Cossa­o e Ga³mez-Cadenas seguiu um caminho diferente, projetando um indicador bicolor fluorescente (FBI) que combina um grande aprimoramento de intensidade e uma mudança drama¡tica de cor quando a molanãcula captura Ba 2 +. A sa­ntese do FBI foi feita sob a direção do pesquisador do DIPC I. Rivilla. Se uma molanãcula do FBI sem ba¡rio éiluminada com luz ultravioleta, ela emite fluorescaªncia na faixa de luz verde, com um espectro de emissão estreito de cerca de 550 nm. No entanto, quando essa molanãcula 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 + .

a‰ interessante notar que os sistemas experimentais de microscopia multifota´nica usados ​​no grupo LOUM pelo grupo P. Artal para a detecção espectral verde / azul são baseados naqueles desenvolvidos anteriormente para imagiologia da ca³rnea do olho humano in vivo. Este éum exemplo de entrelaa§amento do uso de uma tecnologia única no mundo para aplicações biomédicas em um problema fundamental da física departículas . "O esfora§o para combinar ciência ba¡sica e novas implementações instrumentais éessencial para abrir novos caminhos de pesquisa para responder a s muitas perguntas que nós, cientistas, nos perguntamos todos os dias", diz JM Bueno, professor de a³ptica da LOUM.

Como Cossa­o explicou, "a tarefa mais difa­cil na parte química do trabalho foi projetar uma nova molanãcula que atendesse aos requisitos estritos (quase impossa­veis) impostos pelo experimento NEXT. Essa molanãcula tinha que ser muito brilhante, capturar ba¡rio com extrema eficiência (bb0nu éum evento muito raro e nenhum ca¡tion pode ser desperdia§ado) e emite um sinal especa­fico que permite que a captura seja detectada sem rua­do de fundo.Além disso, a sa­ntese 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 especa­fico e ultra-sensa­vel 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 alcana§ado com a preparação de uma camada de indicadores do FBI compactada sobre uma pastilha de sa­lica e a evaporação dessa camada de um sal de perclorato de ba¡rio. Z. Freixa, professor de Ikerbasque na UPV / EHU, diz: "A preparação do FBI em sa­lica tem sido uma solução rápida, mas não tão suja para essa prova de conceito. Um pouco de alquimia doméstica". O experimento de sublimação a va¡cuo foi realizado pela cientista do CSIC no CFM C. Rogero e seu aluno P. Herrero-Ga³mez. Rogero, especialista em física desuperfÍcies, diz: "Foi um daqueles momentos de Eureka, quando percebemos que ta­nhamos em meu laboratório apenas as ferramentas para realizar o experimento.

O pra³ximo passo deste projeto de pesquisa éa 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 estãodesenvolvendo um projeto conceitual. Proposta.

Este trabalho éum avanço significativo para a construção de um futuro experimento 'tagging com ba¡rio' para procurar eventos bb0nu sem rua­do atravanãs da identificação dos dois elanãtrons e do a¡tomo de ba¡rio produzido na reação. Esse experimento teria um grande potencial para descobrir se o neutrino ésua própria antiparta­cula, o que poderia levar a responder perguntas fundamentais sobre a origem do universo.