Une équipe interdisciplinaire de scientifiques dirigée par des chercheurs du DIPC, Ikerbasque et UPV/EHU, a démontré qu'il est possible de construire un capteur ultra-sensible basé sur une nouvelle molécule fluorescente capable de détecter la clé de la désintégration nucléaire pour savoir si un neutrino est ou non sa propre antiparticule.

Les résultats de cette étude, publié dans la prestigieuse revue La nature , ont un grand potentiel pour déterminer la nature du neutrino et ainsi répondre à des questions fondamentales sur l'origine de l'univers.

Pourquoi notre univers est-il fait de matière ? Pourquoi tout existe-t-il tel que nous le connaissons ? Ces questions sont liées à l'un des problèmes non résolus les plus importants de la physique des particules. Ce problème est celui de la nature du neutrino, qui pourrait être sa propre antiparticule, comme l'a soutenu le malheureux génie italien Ettore Majorana il y a près d'un siècle. S'il en était ainsi, cela pourrait expliquer la mystérieuse asymétrie cosmique entre la matière et l'antimatière.

En effet, nous savons que l'univers est fait presque exclusivement de matière. Cependant, la théorie du Big Bang prédit que l'univers primitif contenait la même quantité de particules de matière et d'antimatière. Cette prédiction est cohérente avec les "petits Big Bangs" qui se forment dans les collisions de protons à l'accélérateur géant LHC du CERN, où une production symétrique de particules et d'antiparticules est toujours observée. Donc, où est passée l'antimatière de l'univers primitif ? Un mécanisme possible pointe vers l'existence de neutrinos lourds qui étaient sa propre antiparticule, et donc, pourrait se désintégrer à la fois en matière et en antimatière. Si un deuxième phénomène se produit, violation de la charge et de la parité (c'est-à-dire, si le neutrino favorise légèrement dans sa désintégration la production de matière par rapport à celle d'antimatière), alors il aurait pu injecter un excès du premier sur le second. Après que toute la matière et l'antimatière de l'univers aient été anéanties (à l'exception de ce petit excès), le résultat serait un cosmos fait uniquement de matière, des restes du Big Bang. On pourrait dire que notre univers est le vestige d'un naufrage.

Il est possible de démontrer que le neutrino est sa propre antiparticule en observant un type rare de processus nucléaire appelé double désintégration bêta sans neutrino (bb0nu), dans lequel simultanément deux neutrons (n) du noyau sont transformés en protons (p) tandis que deux électrons (e) sont émis hors de l'atome. Ce processus peut se produire dans certains isotopes rares, comme le Xénon-136, qui a dans son noyau 54 p et 82 n, en plus de 54 e quand est neutre. L'expérience NEXT (dirigée par J.J. Gómez-Cadenas, DIPC et D. Nygren, UTA), situé dans le laboratoire souterrain de Canfranc (LSC), recherche ces désintégrations à l'aide de chambres à gaz à haute pression.

Lorsqu'un atome de Xe-136 subit une désintégration spontanée de bb0nu, le résultat du processus est la production d'un ion doublement chargé de baryum-136 (Ba 2 ⁺ ); avec 54 e et un noyau constitué de 56 p et 80 n; et deux électrons (Xe à Ba 2 ⁺ + 2e).

Jusque là, l'expérience NEXT s'est concentrée sur l'observation de ces deux électrons, dont le signal est très caractéristique du processus. Cependant, le processus de bb0nu que l'on veut observer est extrêmement rare et le signal attendu est de l'ordre d'une décroissance de bb0nu par tonne de gaz et année d'exposition. Ce signal très faible peut être complètement masqué par le bruit de fond dû à la radioactivité naturelle omniprésente. Cependant, si en plus d'observer les deux électrons, l'atome ionisé de baryum est également détecté, le bruit de fond peut être réduit à zéro, puisque la radioactivité naturelle ne produit pas cet ion. Le problème est que l'observation d'un seul ion de Ba 2 ⁺ au milieu d'un grand détecteur bb0nu est techniquement si difficile que jusqu'à récemment, il était considéré comme essentiellement irréalisable. Cependant, quelques travaux récents, dont le dernier vient de paraître dans la revue La nature , suggèrent que l'exploit peut être réalisable après tout.

L'oeuvre, conçu et dirigé par les chercheurs F.P. Cossio, Professeur à l'Université du Pays Basque (UPV/EHU) et Directeur Scientifique d'Ikerbasque, et J.J. Gómez-Cadenas, Professeur Ikerbasque au Centre International de Physique de Donostia (DIPC), comprend une équipe interdisciplinaire avec des scientifiques du DIPC, l'UPV/EHU, Ikerbasque, le Laboratoire d'Optique de l'Université de Murcie (LOUM), le Centre de Physique des Matériaux (CFM, un centre commun CSIC-UPV/EHU), POLYMATE, et l'Université du Texas à Arlington (UTA). Gómez-Cadenas dit, « Le résultat de cette collaboration interdisciplinaire qui combine, entre autres disciplines, la physique des particules, chimie organique, physique des surfaces et optique, est un exemple clair de l'engagement dont le DIPC a récemment fait preuve dans le développement de nouvelles lignes de recherche. Le but n'est pas seulement de générer des connaissances dans d'autres domaines, différent de ceux habituels du centre, mais aussi chercher des terrains hybrides et créer des projets interdisciplinaires qui, dans de nombreux cas, comme celui-ci, peut être le plus authentique."

La recherche est basée sur l'idée, proposé par l'un des auteurs de l'article, le prestigieux scientifique D. Nygren (inventeur, parmi d'autres dispositifs de la technologie Time Projection Chamber appliquée par de nombreuses expériences de physique des particules, y compris SUIVANT). En 2016, Nygren a proposé la faisabilité de capturer Ba 2 ⁺ avec une molécule capable de former avec elle un complexe supramoléculaire et de fournir un signal clair lorsque cela se produit, produisant ainsi un indicateur moléculaire approprié. Nygren et son groupe chez UTA se sont alors lancés dans la conception d'indicateurs "on-off", dans lequel le signal de la molécule est fortement amélioré lorsqu'un complexe supra-moléculaire est formé. Le groupe dirigé par Cossío et Gómez-Cadenas a suivi un chemin différent, concevoir un indicateur bicolore fluorescent (FBI) qui combine une grande amélioration d'intensité et un changement de couleur spectaculaire lorsque la molécule capture Ba 2 ⁺ . La synthèse du FBI a été réalisée sous la direction du chercheur DIPC I. Rivilla. Si une molécule du FBI sans baryum est éclairée par une lumière ultraviolette, il émet une fluorescence dans la gamme de la lumière verte, avec un spectre d'émission étroit d'environ 550 nm. Cependant, lorsque cette molécule capture Ba 2 ⁺ , son spectre d'émission se décale vers le bleu (420 nm). La combinaison des deux caractéristiques se traduit par une amélioration spectaculaire du signal, ce qui le rend très approprié pour un futur Ba 2 ⁺ détecteur.

Il est intéressant de noter que les systèmes expérimentaux de microscopie multiphotonique utilisés au LOUM par l'équipe de P. Artal pour la détection spectrale vert/bleu sont basés sur ceux développés précédemment pour l'imagerie de la cornée de l'œil humain in vivo. C'est un exemple d'entrelacement de l'utilisation d'une technologie unique au monde pour des applications biomédicales sur un problème fondamental de la physique des particules. "L'effort pour combiner science fondamentale et nouvelles implémentations instrumentales est essentiel pour ouvrir de nouvelles voies de recherche pour répondre aux nombreuses questions que nous, les scientifiques, nous posons chaque jour, " dit J.M. Bueno, Professeur d'Optique au LOUM.

Comme Cossío l'a expliqué, "la tâche la plus difficile dans la partie chimique du travail était de concevoir une nouvelle molécule qui répondrait aux exigences strictes (presque impossibles) imposées par l'expérience NEXT. Cette molécule devait être très brillante, capter le baryum avec une efficacité extrême (bb0nu est un événement très rare et aucun cation ne pourrait être gaspillé) et émettre un signal spécifique qui permettrait de détecter la capture sans bruit de fond. En outre, la synthèse chimique du nouveau capteur FBI devait être efficace afin d'avoir suffisamment d'échantillons ultra-purs pour l'installation dans le détecteur. La partie la plus gratifiante a été de vérifier que, après de nombreux efforts de cette équipe multidisciplinaire, en fait, notre capteur FBI spécifique et ultra-sensible a fonctionné comme prévu."

Outre la conception et la caractérisation du FBI, l'article offre la première démonstration de la formation d'un complexe supramoléculaire en milieu sec. Ce résultat marquant a été obtenu en préparant une couche d'indicateurs FBI compressée sur une pastille de silice et en évaporant sur une telle couche un sel de perchlorate de baryum. Z. Freixa, Le professeur Ikerbasque à l'UPV/EHU déclare :"La préparation du FBI sur silice a été une solution rapide mais pas si sale pour cette preuve de concept. Un peu d'alchimie domestique." L'expérience de sublimation sous vide a été réalisée par le scientifique du CSIC au CFM C. Rogero et son élève P. Herrero-Gómez. Rogero, un expert en physique des surfaces dit :"C'était un de ces moments Eurêka, quand nous avons réalisé que nous n'avions dans mon laboratoire que les outils pour mener à bien l'expérience. Nous avons évaporé le perchlorate et fait briller le FBI en bleu presque à la première tentative."

La prochaine étape de ce projet de recherche est la construction d'un capteur basé sur le FBI pour la détection de la double désintégration bêta sans neutrino ou bb0nu, pour laquelle Gomez-Cadenas, F. Monrabal du DIPC et D. Nygren et des collaborateurs de l'UTA développent une proposition conceptuelle.

Ce travail est une avancée significative vers la construction d'une future expérience NEXT de « marquage au baryum » pour rechercher des événements bb0nu sans bruit grâce à l'identification des deux électrons et de l'atome de baryum produits dans la réaction. Cette expérience aurait un grand potentiel pour découvrir si le neutrino est sa propre antiparticule, ce qui pourrait conduire à répondre à des questions fondamentales sur l'origine de l'univers.