Manche Durchbrüche in der Physik entstehen aus brandneuen Erfindungen. Andere beginnen mit einer neuen Theorie. Aber viele Fortschritte passieren, wenn Forscher vertraute Technologien auf unerwartete Weise kombinieren und etwas erschaffen, das mächtiger ist als die einzelnen Teile.

Diese Strategie könnte besonders wertvoll bei der Suche nach schwach wechselwirkenden Teilchen sein, darunter Neutrinos und bestimmte Dunkle-Materie-Kandidaten. Diese Teilchen sind berüchtigt schwer nachzuweisen, weil sie selten mit normaler Materie interagieren. Größere Detektoren zu bauen und ihre räumliche Auflösung zu verbessern kann die Chancen erhöhen, die schwachen Signale zu beobachten, die sie erzeugen, aber das macht die Instrumente oft komplizierter und teurer.

Ähnliche Anforderungen gelten für Kalorimeter, die in Collider-Experimenten verwendet werden, um die von Teilchen getragene Energie zu messen.

Die meisten Teilchenphysik-Experimente müssen die dreidimensionalen (3D) Pfade von Elementarteilchen rekonstruieren, während sie sich durch große Volumina dichten Materials bewegen.

Ein häufiges Detektormaterial ist ein Szintillator. Wenn ein geladenes Teilchen durch einen Szintillator fliegt, gibt das Material winzige Lichtblitze ab. Wissenschaftler nutzen diese Blitze, um zu bestimmen, wo das Teilchen gereist ist und wie es mit dem Detektor interagiert hat.

Um den Ort des Teilchens genau zu bestimmen, wird der Szintillator normalerweise in eine riesige Anzahl kleiner aktiver Abschnitte unterteilt. Optische Fasern sammeln die in jedem Abschnitt erzeugten Photonen und leiten das Licht zu Photomultiplier-Röhren oder Silizium-Photomultipliern, die die Photonen zählen.

Dieser Ansatz kann hochpräzise sein, wird aber schwer skalierbar.

Das T2K-Neutrino-Oszillations-Experiment in Japan verwendet beispielsweise einen Detektor mit etwa zwei Tonnen empfindlichem Material, das aus etwa zwei Millionen Würfeln und 60.000 Fasern besteht. Am CERN und am Paul Scherrer Institut erreichen die LHCb- und Mu3e-Experimente submillimeter räumliche Auflösung, indem sie Millionen dünner szintillierender optischer Fasern verwenden.

Diese Systeme zeigen, was segmentierte Detektoren leisten können, aber sie offenbaren auch ein wachsendes Problem. Wenn Detektoren größer werden, kann die Herstellung, Montage und Auslese von Millionen einzelner Komponenten zu einem großen technologischen und finanziellen Engpass werden.

Ein radikal neuer Ansatz zur Teilchenverfolgung

Forscher der ETH Zürich und der EPFL schlagen nun eine ganz andere Strategie vor.

Der Doktorand Till Dieminger, der leitende Wissenschaftler Dr. Saúl Alonso-Monsalve, Professor Davide Sgalaberna und Kollegen seiner Gruppe, zusammen mit Mitgliedern des Advanced Quantum Architecture Lab an der EPFL in Lausanne unter der Leitung von Professor Edoardo Charbon, haben den ersten Prototypen eines Detektors entwickelt und getestet, der für ultraschnelle, hochauflösende 3D-Teilchenbildgebung in einem großen, unsegmentierten Block aus Szintillatormaterial ausgelegt ist.

Anstatt den Detektor in Millionen winziger Einheiten zu unterteilen, verwendet das System fortschrittliche Kameratechnologie, um zu rekonstruieren, wo das Licht entstanden ist.

Der Prototyp und eine umfangreiche Reihe von Simulationen wurden kürzlich in Nature Communications beschrieben.

Lichtfeld-Fotografie als Physik-Werkzeug

Der Detektor lässt sich von plenoptischen Kameras inspirieren, auch bekannt als Lichtfeldkameras.

Im Gegensatz zu einer gewöhnlichen Kamera, die hauptsächlich die Intensität des einfallenden Lichts aufzeichnet, erfasst eine Lichtfeldkamera auch Informationen über die Richtung, aus der das Licht kam. Dies ermöglicht es, Tiefe zu gewinnen und eine Szene in drei Dimensionen zu rekonstruieren.

Die Technologie basiert auf einem Mikrolinsen-Array (MLA), das zwischen dem Hauptobjektiv der Kamera und dem Bildsensor platziert ist. Jede Mikrolinse fungiert wie eine winzige Kamera, die dieselbe Szene aus einem leicht anderen Winkel aufnimmt. Wenn die Informationen all dieser Linsen kombiniert werden, kann das System ein Lichtfeld rekonstruieren, das die Intensität, Position und Richtung des einfallenden Lichts beschreibt.

Für die Teilchendetektion ist diese Fähigkeit besonders nützlich, weil das Licht in einem Szintillator extrem schwach sein kann.

Wenn plenoptische Kameras