Distira urdin bat Unibertsoaren jatorriaren gakoa argitzeko

  • Ikerketa

Lehenengo argitaratze data: 2020/06/23

Neutrinoen izaera deszifratzeko gai den molekula fluoreszente berriaren adierazpen artistikoa.

Zergatik dago gure unibertsoa materiaz egina? Zergatik existitzen da dena ezagutzen dugun bezala? Galdera horiek partikulen fisikan erantzunik gabeko problema garrantzitsuenetako batekin lotuta daude. Problema hori neutrinoaren izaerarena da, bere antipartikula izan baitaiteke, duela ia mende bat Ettore Majorana jenio italiarrak iragarri zuen bezala. Hori horrela balitz, materiaren eta antimateriaren arteko asimetria kosmiko misteriotsua azal liteke.

Izan ere, badakigu unibertsoa materiaz egina dagoela ia erabat. Hala ere, Big Bang-aren teoriak iragartzen du jatorrizko unibertsoan materia- eta antimateria-partikula kopuru bera zegoela. Iragarpen hori bat dator CERNeko LHC azeleragailu erraldoiko protoi-talketan sortzen diren “Big Bang txikiekin”, non beti ikusten baita partikulen eta antipartikulen ekoizpen simetrikoa. Non gelditu zen, orduan, Unibertso goiztiarraren antimateria? Mekanismo posible batek adierazten duenaren arabera, beren antipartikula propioa izan daitezkeen neutrino astunak egongo lirateke, eta, ondorioz, hauek materiara nahiz antimateriara desintegratu ahal izango lirateke. Bigarren fenomeno bat gertatzen bada, karga- eta paritate-bortxaketa deritzona (hau da, neutrinoak bere desintegrazioan materiaren ekoizpena pixka bat faboratzen badu antimateriarena baino), lehenaren soberakina injektatu ahal izango zukeen bigarrenaren gainetik. Unibertsoko materia eta antimateria guztia haien artean deuseztatu ondoren (soberakin txiki hori izan ezik), emaitza materiaz soilik egindako kosmos bat izango litzateke, Big Bang-aren soberakinena. Nolabait esan genezake, gure Unibertsoa hondoratze baten hondarrak direla.

Neutrinoa bere antipartikula propioa dela froga daiteke neutrinorik gabeko beta desintegrazio bikoitza (bb0nu) izeneko ezohiko prozesu nuklear mota bat behatuz. Bertan, aldi berean nukleoko bi neutroi (n) protoi (p) bihurtzen dira, eta atomotik kanpora bi elektroi (e) igortzen dira. Prozesu hau, isotopo arraro batzuetan gerta daiteke, hala nola Xenon-136-ean, zeinak bere nukleoan 54 p eta 82 n ditu, eta forma neutroan 54 e. Canfranc-eko lurrazpiko laborategian (LSC) dagoen NEXT esperimentuak (DIPCko eta Ikerbasqueko, J.J. Gómez-Cadenasek, eta Arlingtoneko Texaseko Unibertsitateko, D. Nygrenek zuzendua) desintegrazio hauek bilatzen ditu presio altuko gas-ganberak erabiliz.

Xe-136 atomo batek berezko bb0nu desintegrazioa jasaten duenean, prozesuaren emaitza da, karga bikoitza duen Bario-136 ioia sortzea (Ba2+); 54 e eta 56 p eta 80 n-ko nukleoa dituena; eta bi elektroi sortzea. (Xe à Ba2+ + 2e).

NEXT esperimentuan, orain arte, bi elektroi hauek behatzen zentratu da, euren seinalea, prozesuaren oso bereizgarria delarik. Baina, behatu nahi den bb0nu prozesua oso arraroa da, ezohikoa, eta espero den seinalea gas tonako eta esposizio-urteko bb0nu desintegrazio bakar baten ordenakoa da. Hain ahula den seinale hori erabat tapatuta gera daiteke, nonahi dagoen erradioaktibitate naturalak sortzen duen hondo-zarataren ondorioz. Hala ere, bi elektroiak behatzeaz gain bario atomo ionizatua hautematen bada, hondo-zarata zerora murritz daiteke, erradioaktibitate naturalak ez baitu ioi hori sortzen. Kontua da bbn0 detektagailu handi batean Ba2+ ioi bakar bat behatzea hain dela zaila, duela gutxi arte ia ezinezkotzat jotzen zela. Baina hainbat lan berriek, Nature aldizkarian argitaratu berriak besteak beste, erakusten dute horixe bera arrazoizko epe batean lor daitekeela.

Aipatutako lana, F.P. Cossío, Euskal Herriko Unibertsitateko (UPV/EHU) katedraduna eta Ikerbasqueko zuzendari zientifikoa, eta Donostia International Physics Centerreko (DIPC) Ikerbasque irakasle J.J. Gomez-Cadenas ikertzaileek kontzebitu eta zuzendu dute, eta DIPC, UPV/EHU, Ikerbasque, Murtziako Unibertsitateko Optikako Laborategia (LOUM), Materialen Fisika Zentroa (CFM, zentro mistoa CSIC-UPV/EHU), POLYMAT eta Arlingtoneko Texaseko Unibertsitateko (UTA) hainbat ikertzaileek osatutako diziplinarteko taldeak hartu du parte azterlanean. Gómez-Cadenas-ek nabarmendu duenez, “diziplina arteko lankidetza horren emaitza, besteak beste, partikulen fisika, kimika organikoa, gainazalen fisika eta optika konbinatzen dituena, DIPCk ikerketa-ildo berriak irekitzeko berriki egin duen apustuaren adibide argia da. Helburua ez da soilik ezagutza sortzea zentroan ohikoak ez diren beste arlo batzuetan, baizik eta baita eremu hibridoak bilatzea eta diziplina arteko proiektuak sortzea ere, askotan, halakoak izan baitaitezke originalenak, kasu honetan bezala”.

Artikuluaren egileetako batek, D. Nygren (UTA) izen handiko zientzialariak proposatutako ideiatik abiatzen da ikerketa. Denbora-proiekzioko kameren (TPC) teknologia-asmatzailea da Nygren, eta bertan oinarritzen dira partikulen fisikako hainbat esperimentu (besteak beste, NEXT). 2016. urtean, Nygrenek proposatu zuen molekula batekin Ba2+ harrapatzeko aukera, harekin konplexu supramolekular bat eratzeko gai zena eta hori gertatzen denean seinale bereizgarri bat emateko gai zena, adierazle molekular gisa. Ondorengo lanetan, Nygrenek eta bere taldeak “etengailu” izeneko adierazle mota bat diseinatu dute, Ba2+ ioi bat harrapatzen dutenean intentsitate handiagoz distira egiteko gai direnak. Cossío eta Gómez-Cadenasen taldeak estrategia desberdina erabili du Ba2+ selektiboki atzemateko gai den adierazle bat diseinatzerakoan. Adierazle horrek, ioia harrapatzean intentsitate handiagoz distira egiteaz gain, kolorez ere aldatzen du, eta, hala, seinalea argi eta garbi behatzen da hondo-zarataren gainetik. Bi koloreko adierazle molekular horren sintesia, FBI izenekoa (Fluorescent Bicolor Indicator-en ingelesezko siglak), DIPCko I. Rivilla ikertzailearen gidaritzapean egin da. Bariorik gabeko FBI molekula bat argi ultramorez argiztatzen bada, honek fluoreszentzia igortzen du argi berdearen tartean, emisio-espektro estu batekin 550 nm ingurukoa. Aldiz, molekula horrek Ba2+ harrapatzen duenean, haren emisio-espektroa urdinerantz mugitzen da (420 nm). Horri esker, Ba2+-en presentzia identifika daiteke FBI molekula urdin baten behaketatik abiatuta.

Aipatzekoa da P. Artalen taldeak berde/urdin igorpen-espektroak detektatzeko LOUMean erabilitako mikroskopia multifotonikoko sistema esperimentalak aurrez giza begiaren kornearen irudiak zuzenean lortzeko garatutako sistemetan oinarritzen direla. Erabilera gurutzatuen adibide bat da hau, zeren eta aplikazio biomedikoetarako munduan bakarra den teknologia bat erabili da partikulen fisikako funtsezko arazo batean. “Oinarrizko zientzia eta inplementazio instrumental berriak uztartzearen aldeko apustua funtsezkoa da ikerketa-ildo berriak irekitzeko eta zientzialariok egunero egiten ditugun galdera ugariei erantzun ahal izateko”, adierazi du J.M. Bueno LOUMeko optikako katedradunak.

Cossiok azaldu duenez, “lanaren alderdi kimikoaren zatirik konplexuena NEXT esperimentuak ezarritako baldintza zorrotzak (ia ezinezkoak) beteko zituen molekula berri bat diseinatzea izan zen. Molekula hau oso distiratsua izan behar zuen, barioa eraginkortasun handiz harrapatu behar zuen (bb0nua oso gertaera bitxia da, eta katioirik ezin zen alferrik galdu) eta harrapaketa hondo-zaratarik gabe detektatzeko seinale espezifikoa igorri. Gainera, FBI sentsore berriaren sintesi kimikoak eraginkorra izan behar zuen detektagailuan instalatzeko behar adina lagin ultrapuruak eduki ahal izateko. Alderdirik atsegingarriena zera izan zen: jakintza-alor anitzeko talde honen ahalegin handien ondoren, gure FBI sentsore espezifiko eta ultrasentikorrak aurreikusi bezala funtzionatzen zuela egiaztatzea”.

FBIren diseinu eta karakterizazioaz gain, artikuluak ingurune lehorrean konplexu supramolekularren eraketaren lehen frogapena eskaintzen du. Mugarri hori FBI molekula-geruza bat silizezko pastilla konprimitu baten gainean prestatuz eta geruza horren gainean bario perkloratozko gatz bat lurrunduz lortu da. Z. Freixa Ikerbasque irakasleak dioenez, “silizearen gainean FBIa prestatzea irtenbide azkarra izan da kontzeptu-proba honetarako. Etxeko alkimia pixka bat ez dator inoiz gaizki”. Hutseko lurrunketa, C. Rogero, CSICeko zientzialaria CFMn, eta bere doktorego ikasleak P. Herrero-Gomezek burutu dute. Rogero gainazalen fisikan aditua da, eta hauxe adierazi du: “Eureka une horietako bat izan zen, ohartu ginenean gure laborategian bagenituela medioak eta ezagutza, lehen aldiz frogatzeko molekula bat ingurune lehorrean dikatioi bat harrapatzeko gai dela. Lanari ekin genion, eta ondo atera zen ia lehengo saioan”

Proiektu honen hurrengo urratsa FBIn oinarritutako detektagailu bat eraikitzea izango da, bb0nu, hots, neutrinorik gabeko beta desintegrazio bikoitza detektatzeko. Horretarako, DIPCko Gomez-Cadenas eta F. Monrabal, Nygren eta UTAko kolaboratzaileekin batera, proposamen kontzeptuala garatzen ari dira dagoeneko. Etorkizuneko esperimentu hau, urte gutxi batzuetan martxan egon daitekeena, hondo-zaratarik gabeko bbb0nu gertaerak bilatzeko gai izango litzateke, erreakzioan sortutako bi elektroien eta bario atomoaren identifikazioari esker, eta potentzial handia izango luke neutrinoa bere antipartikula den jakiteko. Horri esker, unibertsoaren jatorriari buruzko funtsezko galderei erantzun ahal izango litzaieke, baita hemen zergatik gauden galderari ere.

Erreferentzia bibliografikoa