Nuevo sensor fluorescente para estudiar los neutrinos y el origen del universo

La teoría del Big Bang señala que el universo primigenio contenía la misma cantidad de materia que de antimateria. En principio sus respectivas partículas se aniquilarían mutuamente, pero hoy observamos que la primera domina sobre la segunda. ¿Dónde fue entonces la antimateria?

Una posible explicación a esta pregunta, esencial para comprender los orígenes de nuestro universo, apunta a la existencia de neutrinos pesados que fueran su propia antipartícula, como ya aventuró el malogrado genio italiano Ettore Majorana hace casi un siglo. Estos neutrinos se desintegrarían tanto en forma de materia como de antimateria.

El nuevo sensor se podría usar para detectar una rarísima desintegración que se trata de encontrar con el experimento NEXT en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (Huesca)

Si, además, se produjo un segundo fenómeno, denominado violación de carga y paridad, esto es, si el neutrino favorece ligeramente en sus desintegraciones la producción de materia sobre la de antimateria, entonces podría haber inyectado un exceso de la primera sobre la segunda. El resultado sería el cosmos que conocemos hecho de materia.

Pero para probar esta hipótesis hay que verificar si el neutrino es o no su propia antipartícula, una tarea para la que científicos de diversas instituciones españolas, liderados desde el Donostia International Physics Center (DIPC) y la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), proponen utilizar un nuevo sensor fluorescente capaz de detectar una desintegración clave en este proceso. Los detalles los publican en la revista Nature.

En concreto, es posible demostrar que el neutrino es su propia antipartícula observando un raro tipo de proceso nuclear llamado desintegración doble beta sin neutrinos (bb0nu), en el que simultáneamente dos neutrones del núcleo se convierten en protones y se emiten además dos electrones que se escapan fuera del átomo.

Este proceso puede darse en algunos isótopos raros, como el Xenón-136. Es lo que se investiga en el experimento NEXT, dirigido por los coautores Juan Gómez-Cadenas del DIPC e IKerbasque y David Nygren de la Universidad de Texas (EE UU) en el laboratorio subterráneo de Canfranc (Huesca), donde se buscan estas desintegraciones utilizando cámaras de gas a alta presión.

Juan José Gómez-Cadenas delante del detector del experimento NEXT en el Laboratorio Subterraneo de Canfrac, y David Nygren, profesor de la Universidad de Texas en Arlington. / LSC/UTA

Cuando un átomo de Xe-136 sufre una desintegración espontánea bb0nu, el resultado es un ion doblemente cargado de Bario-136 (Ba2+) con, entre otras partículas, dos electrones con una señal muy característica. El problema es que la desintegración buscada es extremadamente rara y esa señal muy débil, por lo que puede quedar enmascarada por el ruido de fondo debido a la omnipresente radioactividad natural.

Sin embargo, si además de observarse los dos electrones se detecta el átomo ionizado de bario, el ruido de fondo puede reducirse a cero, ya que la radioactividad natural no produce este ion.

Descubrir los esquivos iones de bario

Observar un solo ion de Ba2+ en un gran detector de bb0nu es tan extremadamente difícil que hasta hace poco se consideraba impracticable. Pero una serie de trabajos recientes, entre los que figura el publicado ahora en la revista Nature, demuestran que la hazaña podría conseguirse en un plazo de tiempo razonable.

El indicador FBI brilla más y cambia a un color azul al atrapar el ion Ba2+, sino que cambia de color, contribuyendo así a una clarísima observación de la señal sobre el ruido de fondo

El estudio parte de una idea propuesta por Nygren, que en 2016 planteó la posibilidad de capturar el Ba2+ con una molécula capaz de formar un complejo supramolecular con este y de proporcionar una señal característica cuando esto ocurre, a modo de indicador molecular. En trabajos posteriores, su grupo ha diseñado un tipo de indicadores llamados ‘interruptores’ capaces de brillar más intensamente cuando capturan un ion Ba2+.

Pero el grupo de Gómez-Cárdenas y el catedrático de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), Fernando P. Cossío, director científico de Ikerbasque, ha seguido una estrategia diferente, diseñando un indicador capaz de capturar selectivamente el Ba2+. No sólo brilla más intensamente al atrapar el ion, sino que cambia de color, contribuyendo así a una clarísima observación de la señal sobre el ruido de fondo.

La síntesis de este indicador molecular bicolor, denominado Fluorescent Bicolor Indicator (FBI), se ha realizado bajo el liderazgo del investigador Iván Rivilla del DIPC. Si se ilumina con luz ultravioleta una molécula FBI sin bario, esta emite fluorescencia en el rango de la luz verde, con un espectro de emisión estrecho de alrededor de 550 nm.

En cambio, cuando esta molécula captura Ba2+, su espectro de emisión se desplaza hacia el azul (420 nm). Esto hace posible identificar la presencia de Ba2+ a partir de la observación de una molécula FBI azul.

Tecnología para los ojos pasa a la física

Para la detección espectral verde y azul se han utilizado los sistemas experimentales de microscopía multifotónica del Laboratorio de Óptica de la Universidad de Murcia (LOUM), donde trabajan los también autores del estudio, Pablo Artal y Juan Manuel Bueno, que han aprovechado desarrollos previamente utilizados para obtener imágenes de la córnea del ojo humano en vivo.

“El uso de instrumentación originalmente diseñada para aplicaciones en el ojo se ha utilizado aquí para resolver un problema básico en física”, destaca Artal, “un ejemplo muy interesante de entrelazamiento entre la ciencia y la tecnología”.

Pablo Artal, Rosa Martínez y Juan M. Bueno en el laboratorio del microscopio multifotónico de la Universidad de Murcia. / UMU

Según Cossío, “lo más complicado de la parte química del trabajo fue diseñar una nueva molécula que cumpliera los estrictos (casi imposibles) requisitos impuestos por el experimento NEXT. Esta molécula debía brillar mucho, capturar bario con extrema eficacia y emitir una señal específica que permitiera detectar la captura sin ruido de fondo”.

Por primera vez se demuestra la formación de complejos supramoleculares en medio seco, un hito logrado al preparar una capa de moléculas FBI sobre una pastilla de sílice y evaporando sal de perclorato de bario

“Además –añade–, la síntesis química del nuevo sensor FBI debía ser eficiente para poder tener muestras ultrapuras en cantidad suficiente para su instalación en el detector. La parte más gratificante fue comprobar que, tras muchos esfuerzos por parte de este equipo multidisciplinar, efectivamente, nuestro sensor FBI específico y ultrasensible funcionaba tal y como estaba previsto”.

Aparte del diseño y caracterización de FBI, el artículo ofrece la primera demostración de la formación de complejos supramoleculares en medio seco. Este hito se ha conseguido preparando una capa de moléculas FBI sobre una pastilla comprimida de sílice y evaporando sobre esta capa una sal de perclorato de bario.

La coautora Zoraida Freixa, profesora Ikerbasque, asegura: “La preparación de FBI sobre sílice ha sido una solución rápida para esta prueba de concepto. Un poco de alquimia casera nunca viene mal”.

Un momento eureka

La evaporación en vacío ha sido realizada por la científica del Centro de Física de Materiales (CFM, CSIC-UPV/EHU) Celia Rogero junto a su estudiante de doctorado Pablo Herrero. Rogero, experta en física de superficies, asegura: “Fue uno de esos momentos Eureka, cuando nos dimos cuenta de que disponíamos del know-how para demostrar por primera vez que una molécula es capaz de atrapar un dicatión en medio seco. Pusimos manos a la obra y salió bien casi al primer intento”.

El siguiente paso es construir este detector basado en FBI para detectar la desintegración doble beta sin neutrinos

El siguiente paso de este proyecto será construir un detector basado en FBI para la detección de la desintegración doble beta sin neutrinos, para lo que Gómez-Cadenas, Nygren y colaboradores están desarrollando la propuesta conceptual.

Este futuro experimento, que podría estar en marcha en unos pocos años sería capaz de buscar sucesos bb0nu libres de ruido de fondo gracias a la identificación de los dos electrones y el átomo de bario producidos en la reacción. Tendría un gran potencial para descubrir si el neutrino es su propia antipartícula, lo que permitiría responder a preguntas fundamentales sobre el origen del universo, incluyendo la de por qué estamos aquí.

En la fotografía, de izquiera a derecha. Celia Rogero (CFM), Francesc Monrabal (DIPC, Ikerbasque), Pablo Herrero (DIPC), José Miranda (SGIker, sentado), Beñat Olave (POLYMAT), Borja Aparicio (UPV/EHU). Fernando Cossío (UPV/EHU), sentado en el centro. I. Rivilla (DIPC), Thomas Schäfer (POLYMAT, sentado), Zoraida Freixa (UPV/EHU, Ikerbasque), sentada y David Casanova (DIPC, Ikerbasque). / UPV/EHU

Referencia:

I. Rivilla, B. Aparicio, J.M. Bueno, D. Casanova, C. Tonnelé, Z. Freixa, P. Herrero, C. Rogero, J.I. Miranda, R.M. Martínez Ojeda, F. Monrabal, B. Olave, T. Schäfer, P. Artal, D. Nygren, F.P. Cossío, and J.J. Gómez-Cadenas. “Fluorescent bicolor sensor for low-background neutrinoless double beta decay experiment”. Nature, 2020. www.nature.com/articles/s41586-020-2431-5