بعض الإنجازات في الفيزياء تأتي من اختراعات جديدة كليًا. وأخرى تبدأ بنظرية جديدة. لكن العديد من التطورات تحدث عندما يجمع الباحثون تقنيات مألوفة بطريقة غير متوقعة ويخلقون شيئًا أقوى من الأجزاء الفردية.

هذه الاستراتيجية قد تكون قيّمة بشكل خاص في البحث عن الجسيمات ضعيفة التفاعل، بما في ذلك النيوترينوات وبعض مرشحات المادة المظلمة. هذه الجسيمات يصعب اكتشافها بشكل سيئ السمعة لأنها نادرًا ما تتفاعل مع المادة العادية. بناء كواشف أكبر وتحسين دقتها المكانية يمكن أن يزيد من فرص رصد الإشارات الخافتة التي تنتجها، لكن القيام بذلك غالبًا ما يجعل الأدوات أكثر تعقيدًا وتكلفة.

متطلبات مماثلة تنطبق على المسعرات، وهي الأجهزة المستخدمة في تجارب المصادم لقياس الطاقة التي تحملها الجسيمات.

معظم تجارب فيزياء الجسيمات تحتاج إلى إعادة بناء المسارات ثلاثية الأبعاد للجسيمات الأولية أثناء تحركها عبر أحجام كبيرة من المواد الكثيفة.

إحدى مواد الكاشف الشائعة هي الومياض. عندما يمر جسيم مشحون عبر الومياض، تصدر المادة ومضات صغيرة من الضوء المرئي. يستخدم العلماء هذه الومضات لتحديد أين سافر الجسيم وكيف تفاعل مع الكاشف.

لتحديد موقع الجسيم بدقة، يُقسم الومياض عادة إلى عدد هائل من الأقسام النشطة الصغيرة. تجمع الألياف البصرية الفوتونات المنتجة في كل قسم وتحمل الضوء إلى أنابيب تضخيم ضوئي أو مضاعفات ضوئية سيليكونية، والتي تعد الفوتونات.

هذا النهج يمكن أن يكون دقيقًا للغاية، لكنه يصبح صعب التوسع.

تجربة تذبذب النيوترينو T2K في اليابان، على سبيل المثال، تستخدم كاشفًا بحوالي طنين من المواد الحساسة مصنوعة من حوالي مليوني مكعب و60,000 ليف. في سيرن ومعهد بول شيرير، تصل تجارب LHCb وMu3e إلى دقة مكانية دون المليمتر باستخدام ملايين من الألياف الومياضية الرقيقة.

هذه الأنظمة تظهر ما يمكن أن تحققه الكواشف المجزأة، لكنها تكشف أيضًا عن مشكلة متزايدة. مع ازدياد حجم الكواشف، يمكن أن يصبح تصنيع وتجميع وقراءة ملايين المكونات الفردية عنق زجاجة تكنولوجي ومالي كبير.

نهج جذري جديد لتتبع الجسيمات

باحثون في ETH زيورخ وEPFL يقترحون الآن استراتيجية مختلفة جدًا.

طالب الدكتوراه تيل ديمينغر، والعالم الكبير الدكتور ساؤول ألونسو-مونسالف، والأستاذ دافيدي سغالابيرنا وزملاؤه في مجموعته، مع أعضاء مختبر الهندسة الكمومية المتقدمة في EPFL في لوزان بقيادة الأستاذ إدواردو شاربون، طوروا واختبروا أول نموذج أولي لكاشف مصمم لأداء تصوير جسيمات ثلاثي الأبعاد فائق السرعة وعالي الدقة داخل كتلة كبيرة غير مجزأة من مادة الومياض.

بدلاً من تقسيم الكاشف إلى ملايين الوحدات الصغيرة، يستخدم النظام تقنية كاميرا متقدمة لإعادة بناء مصدر الضوء.

التجربة النموذجية وسلسلة واسعة من المحاكاة وُصفت مؤخرًا في Nature Communications.

تحويل تصوير المجال الضوئي إلى أداة فيزيائية

يستلهم الكاشف من الكاميرات البليوبتيكية، المعروفة أيضًا بكاميرات المجال الضوئي.

على عكس الكاميرا العادية، التي تسجل بشكل أساسي شدة الضوء الوارد، تلتقط كاميرا المجال الضوئي أيضًا معلومات حول الاتجاه الذي وصل منه الضوء. هذا يسمح لها باستعادة العمق وإعادة بناء المشهد في ثلاثة أبعاد.

تعتمد التقنية على مصفوفة عدسات دقيقة توضع بين العدسة الرئيسية للكاميرا ومستشعر التصوير. تعمل كل عدسة مجهرية مثل كاميرا صغيرة، تسجل نفس المشهد من زاوية مختلفة قليلاً. عندما تُجمع المعلومات من كل هذه العدسات، يمكن للنظام إعادة بناء مجال ضوئي، يصف شدة وموضع واتجاه الضوء الوارد.

للكشف عن الجسيمات، هذه القدرة مفيدة بشكل خاص لأن الضوء داخل الومياض قد يكون خافتًا للغاية.

عندما كاميرات بليوبتيكية