Les physiciens des particules sont à la recherche de la lumière. Pas n'importe quelle lumière, mais un signal caractéristique produit par l'interaction de certaines particules - comme les neutrinos fantomatiques, qui sont des particules fondamentales neutres de très faible masse - avec un détecteur qui contient une mer atomique de gaz nobles liquéfiés.

Même s'il faisait plus clair, ce signal lumineux serait indétectable par nos yeux car il se situe dans la gamme ultraviolette (UV) du spectre électromagnétique. Et tout comme nos yeux ne sont pas équipés pour voir la lumière UV, la plupart des systèmes de photodétecteurs conventionnels pour les expériences de physique des particules fonctionnent bien mieux dans le domaine visible que dans l'UV.

Cependant, de nouveaux travaux au laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) apportent la puissance de la nanotechnologie à la physique des particules dans le but d'améliorer le fonctionnement des photocapteurs dans des environnements expérimentaux où la lumière UV est produite, comme des modules détecteurs massifs remplis d'argon liquide.

« Nous aimerions trouver un matériau unique qui nous permettra d'identifier une particule spécifique et de ne pas voir d'autres particules. Ces nanoparticules nous aident à nous rapprocher. » — Stephen Magill, Physicien des hautes énergies d'Argonne

"Vous pouvez aller en ligne et acheter des photocapteurs auprès des entreprises, mais la plupart d'entre eux sont dans le domaine visible, et ils détectent des photons que nous pouvons voir, lumière visible, " a déclaré Stephen Magill, physicien des hautes énergies d'Argonne.

Pour rendre leurs photocapteurs plus sensibles au rayonnement UV, Magill et ses collègues d'Argonne et de l'Université du Texas à Arlington ont appliqué des revêtements de différentes nanoparticules à des photodétecteurs conventionnels. À travers une large gamme de compositions variées, les résultats ont été dramatiques. Les photodétecteurs améliorés ont démontré une sensibilité significativement plus élevée à la lumière UV que les photodétecteurs sans revêtement.

La raison pour laquelle les nanoparticules fonctionnent, selon Magill, a à voir avec leur taille. Les nanoparticules plus petites peuvent absorber des photons de longueurs d'onde plus courtes, qui sont ensuite réémis sous forme de photons de longueurs d'onde plus longues avec une énergie plus faible, il a dit. Ce passage, connu des scientifiques sous le nom de « changement de Stokes », " convertit les photons UV en photons visibles.

"Nous cherchons toujours à trouver de meilleurs matériaux qui nous permettront de détecter nos particules, " a déclaré Magill. "Nous aimerions trouver un seul matériau qui nous permettra d'identifier une particule spécifique et de ne pas voir d'autres particules. Ces nanoparticules nous aident à nous rapprocher."

Les types d'expériences pour lesquelles les scientifiques utilisent ces photodétecteurs améliorés sont considérés comme faisant partie de la "frontière d'intensité" de la physique des hautes énergies. En étant plus sensible à tout petit signal ultraviolet produit, ces revêtements de nanoparticules augmentent les chances de détecter des événements rares et peuvent permettre aux scientifiques de mieux voir des phénomènes tels que les oscillations de neutrinos, dans lequel un neutrino change de type.

Les avantages de ce type de nouveau matériau pourraient également dépasser le cadre de la physique des particules. Magill a suggéré que les particules pourraient être incorporées dans un verre transparent qui pourrait augmenter la quantité de lumière visible disponible dans certains environnements sombres.

"Il y a beaucoup de lumière là-bas entre 300 nanomètres et 400 nanomètres que nous ne voyons pas et n'utilisons pas, " dit Magill. " En déplaçant la longueur d'onde, nous pourrions créer un moyen pour que cette lumière devienne plus utile."

Un article basé sur l'étude, "Propriétés de décalage de longueur d'onde des nanoparticules de luminescence pour la détection de particules à haute énergie et l'observation de processus physiques spécifiques, " paru dans l'édition du 12 juillet de Rapports scientifiques .