Un equipo interdisciplinar de científicos, formado por investigadores del Laboratorio de Óptica la Universidad de Murcia (LOUM) junto al Donostia International Physics Center (DIPC) y la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), han desarrollado un sensor que puede ayudar a determinar si un neutrino es o no su propia antipartícula.
Este avance tendría implicaciones en la explicación del origen del universo, pues el Big Bang predice que el cosmos, en sus inicios, contenía la misma cantidad de partículas de materia y antimateria. Sin embargo, el universo, tal y como lo conocemos actualmente, está compuesto únicamente de materia. Dónde fue a parar esta antimateria es uno de los grandes retos sin resolver de la Física de Partículas.
La clave está en los neutrinos
Partículas subatómicas denominadas neutrinos, sin carga, que viajan a velocidades muy cercanas a la de la luz y que son su propia antipartícula pueden ayudar a resolver esta incógnita. Sin embargo su detección es una tarea nada fácil, pues su masa es al menos 10.000 veces menor que la de un electrón y apenas interactúan con la materia ordinaria.
Si los neutrinos fueran su propia antipartícula, su desintegración daría lugar tanto a materia como a antimateria. “Y si la producción de la primera dominase ligeramente sobre la segunda, el resultado sería un cosmos que acabaría hecho sólo de materia, de las sobras del Big Bang”, explica Juan Manuel Bueno, catedrático de la Universidad de Murcia (UMU).
Neutrinos y experimento FBI
Para demostrar esta propiedad del neutrino es necesario observar un proceso extremadamente raro: la desintegración doble beta sin neutrinos (bb0nu), que dirige J. J. Gómez-Cadenas, profesor Ikerbasque del DIPC.
Observar un sólo ión de Ba2+, tras la bb0nu se consideraba prácticamente imposible hasta hace poco tiempo y no habría sido posible sin el trabajo realizado por los investigadores de la UMU. Este paso clave hacia la demostración de que el neutrino sea al mismo tiempo partícula y antipartícula acaba de ser publicado en la prestigiosa revista científica Nature.
El estudio partía de la idea de diseñar y sintetizar una mólecula capaz de capturar el Ba2+ y proporcionar una señal clara cuando éste aparecía. El grupo de la UPV/EHU, coordinado por el director científico de Ikerbasque Fernando Cossío ha diseñado un indicador molecular bicolor denominado FBI por su siglas en inglés (Fluorescent Bicolor Indicator). Cuando la molécula FBI sin Bario se ilumina con luz ultravioleta emite una fluorescencia verde que, en cambio, se desplazaba al azul cuando captura Bario.
Técnicas biomédicas y Física de Partículas
Es en este proceso de detección espectral verde/azul donde entra en juego la tecnología creada en la UMU. Dirigido por el catedrático de Óptica Juan Manuel Bueno, en el experimento se han discriminado ambos tipos de moléculas a través del fenómeno denominado absorción a dos fotones. Para ello se ha usado el microscopio multifotónico desarrollado por los propios investigadores del LOUM. Tecnología empleada originariamente para aplicaciones biomédicas que el equipo de la UMU ha transformado para adaptarla a los retos de la Física de Partículas.
El prototipo, que combina un láser infrarrojo pulsado ultra-intenso y una detección espectral selectiva, ha permitido resolver el dilema de la molécula FBI fabricada ad hoc para este experimento.
“Es muy interesante el entrelazamiento de la ciencia y la tecnología. En este caso, el uso de instrumentación originalmente diseñada para aplicaciones en el ojo se ha utilizado para resolver un problema básico en Física”, comenta Pablo Artal, director del LOUM y co-autor del estudio.
“La apuesta por combinar ciencia básica e implementaciones instrumentales novedosas es esencial para abrir nuevas líneas de investigación que permitan responder a la gran cantidad de preguntas que los científicos nos planteamos a diario”, concluye Bueno.
Más información:
Referencia bibliográfica
“Fluorescent bicolor sensor for low-background neutrinoless double beta decay experiment”, 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. Nature (2020).
www.nature.com/articles/s41586-020-2431-5
