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Un sensore per indagare le origini dell’Universo

Un gruppo di ricercatori  dell’Università dei Paesi Baschi dell’Università del Texas  ha provato a rispondere a uno degli interrogativi più interessanti della fisica delle particelle: la natura del neutrino che potrebbe essere la sua stessa antiparticella, come sostenuto dal fisico italiano Ettore Majorana. Se questa teoria fosse confermata potrebbe spiegare la misteriosa asimmetria cosmica tra materia e antimateria.

E’ noto che l’Universo è composto quasi esclusivamente materia. Tuttavia, la teoria del Big Bang, sostiene che l’Universo primordiale potesse contenere la stessa quantità di particelle di materia e antimateria una previsione coerente con i risultati ottenuti dalle collisioni di protoni del Large Hadron Collider del Cern, dove si osserva sempre una produzione simmetrica di particelle e antiparticelle.

È possibile dimostrare che il neutrino è la sua stessa antiparticella osservando un raro tipo di processo nucleare chiamato doppio decadimento senza beta (bb0nu), in cui i due neutroni (n) del nucleo vengono trasformati contemporaneamente in protoni (p) mentre i due elettroni (e) sono emessi dall’atomo. Questo processo può avvenire in alcuni rari isotopi, come lo Xenon-136, che ha nel suo nucleo 54 p e 82 n, oltre a 54 e quando è neutro. L’esperimento Next, situato nel laboratorio sotterraneo di Canfranc, va alla ricerca di questi decadimenti grazie all’utilizzo di  camere a gas ad alta pressione. Quando un atomo Xenon-136 subisce un decadimento senza beta spontaneo, il risultato del processo è la produzione di uno ione doppiamente carico di Bario-136 (Ba2 +); con 54 elettroni  e un nucleo costituito da 56 protoni, 80 neutroni e due elettroni (Xe à Ba2 + + 2e).

Finora l’esperimento Next  si è concentrato sull’osservazione di questi due elettroni, il cui segnale è molto caratteristico del processo. Tuttavia il doppio decadimento senza beta che si intende osservare è estremamente raro e il segnale che si prevede è dell’ordine di un decadimento bb0nu per tonnellata di gas in un anno di esposizione. Questo segnale molto debole può essere completamente mascherato dal rumore di fondo dovuto alla radioattività naturale. Tuttavia 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 riscontrato dai ricercatori riguarda l’osservazione di un singolo ione di Ba2 + nel mezzo di un grande rivelatore bb0nu: si tratta di un processo tecnicamente così impegnativo che fino a poco tempo fa era considerato quasi impossibile. Tuttavia il lavoro dei ricercatori baschi e americani,  pubblicato sull’ultimo numero di Nature, suggerisce che l’impresa potrebbe essere fattibile.

Nel 2016 D. Nygren – inventore  della camera di proiezione temporale applicata da molti esperimenti di fisica delle particelle tra cui Next – ha proposto la fattibilità di catturare Ba2 + con una molecola in grado di formare un complesso sopra molecolare insieme ad esso e di fornire un segnale chiaro quando ciò si verifica, producendo così un adeguato indicatore molecolare. Nygren e il suo gruppo dell’Università del Texas hanno progettato alcuni indicatori on-off, in cui il segnale della molecola è fortemente potenziato quando si forma un complesso sopra molecolare.

Il gruppo  dei ricercatori baschi ha invece seguito un percorso diverso, progettando un sensore bicolore fluorescente (Fbi) che combina un potenziamento di grande intensità e un cambiamento di colore evidente quando la molecola cattura Ba2 +. Nel dettaglio se una molecola dell’Fbi senza bario è illuminata con luce ultravioletta, emette fluorescenza nel raggio di luce verde con uno spettro di emissione ristretto di circa 550 nm. Tuttavia, quando questa molecola cattura Ba2 +, il suo spettro di emissione si sposta verso il blu (420 nm). La combinazione di entrambe le caratteristiche si traduce in un forte  potenziamento del segnale, rendendolo quindi molto adatto per un futuro rivelatore Ba2 +.

«Il compito più difficile ha riguardato la parte chimica del lavoro – spiega  F.p. Cossìo, autore principale dello studio –  abbiamo progettato una nuova molecola in grado di soddisfare i severi requisiti imposti dall’esperimento Next. Questa molecola  è molto luminosa ed emette un segnale specifico che consentirebbe di rilevare la cattura senza rumore di fondo. Inoltre, la sintesi chimica del nuovo sensore dell’Fbi deve essere efficiente per avere abbastanza campioni ultra puri per l’installazione all’interno del rivelatore. La parte più gratificante è stata quella di verificare che il nostro sensore specifico e ultra sensibile dell’Fbi  funziona come previsto».

Il prossimo passo di questo progetto di ricerca è la costruzione di un sensore basato sull’Fbi per il rilevamento del doppio decadimento beta-neutrino o bb0nu, per il quale l’Università dei Paesi Baschi e l’Università del Texas stanno sviluppando una prototipo. Lo studio rappresenta un progresso significativo verso la costruzione di un futuro esperimento Next per la ricerca di eventi bb0nu privi di rumore attraverso l’identificazione dei due elettroni e dell’atomo di bario prodotti nella reazione. Questo esperimento avrebbe un grande potenziale per scoprire se il neutrino è la sua stessa antiparticella, un risultato che fornirebbe alcune risposte alle domande fondamentali sull’origine dell’Universo.

 

Leggi lo studio su Nature 

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