Algunos avances en física provienen de inventos completamente nuevos. Otros comienzan con una nueva teoría. Pero muchos progresos ocurren cuando los investigadores combinan tecnologías familiares de una manera inesperada y crean algo más poderoso que las partes individuales.

Esa estrategia podría ser especialmente valiosa en la búsqueda de partículas débilmente interactuantes, incluidos los neutrinos y ciertos candidatos a materia oscura. Estas partículas son notoriamente difíciles de detectar porque rara vez interactúan con la materia ordinaria. Construir detectores más grandes y mejorar su resolución espacial puede aumentar las probabilidades de observar las débiles señales que producen, pero hacerlo a menudo vuelve los instrumentos más complicados y costosos.

Exigencias similares se aplican a los calorímetros, los dispositivos utilizados en experimentos de colisionadores para medir la energía transportada por las partículas.

La mayoría de los experimentos de física de partículas necesitan reconstruir las trayectorias tridimensionales (3D) de las partículas elementales a medida que se mueven a través de grandes volúmenes de material denso.

Un material detector común es el centelleador. Cuando una partícula cargada atraviesa un centelleador, el material emite pequeños destellos de luz visible. Los científicos usan esos destellos para determinar dónde viajó la partícula y cómo interactuó con el detector.

Para localizar la posición de la partícula, el centelleador suele dividirse en una gran cantidad de pequeñas secciones activas. Fibras ópticas recogen los fotones producidos en cada sección y llevan la luz a tubos fotomultiplicadores o fotomultiplicadores de silicio, que cuentan los fotones.

Este enfoque puede ser muy preciso, pero se vuelve difícil de escalar.

El experimento de oscilación de neutrinos T2K en Japón, por ejemplo, utiliza un detector con aproximadamente dos toneladas de material sensible hecho de unos dos millones de cubos y 60,000 fibras. En el CERN y el Instituto Paul Scherrer, los experimentos LHCb y Mu3e alcanzan una resolución espacial submilimétrica utilizando millones de finas fibras centelleadoras.

Estos sistemas demuestran lo que los detectores segmentados pueden lograr, pero también revelan un problema creciente. A medida que los detectores se vuelven más grandes, fabricar, ensamblar y leer millones de componentes individuales puede convertirse en un importante cuello de botella tecnológico y financiero.

Un Enfoque Radicalmente Nuevo para el Seguimiento de Partículas

Investigadores de la ETH Zúrich y la EPFL ahora proponen una estrategia muy diferente.

El estudiante de doctorado Till Dieminger, el científico senior Dr. Saúl Alonso-Monsalve, el profesor Davide Sgalaberna y sus colegas en su grupo, junto con miembros del Laboratorio de Arquitectura Cuántica Avanzada de la EPFL en Lausana dirigido por el profesor Edoardo Charbon, desarrollaron y probaron el primer prototipo de un detector diseñado para realizar imágenes de partículas en 3D ultrarrápidas y de alta resolución dentro de un gran bloque no segmentado de material centelleador.

En lugar de dividir el detector en millones de unidades diminutas, el sistema utiliza tecnología de cámara avanzada para reconstruir el origen de la luz.

La demostración del prototipo y una extensa serie de simulaciones se describieron recientemente en Nature Communications.

Convirtiendo la Fotografía de Campo de Luz en una Herramienta de Física

El detector se inspira en las cámaras plenópticas, también conocidas como cámaras de campo de luz.

A diferencia de una cámara ordinaria, que principalmente registra la intensidad de la luz entrante, una cámara de campo de luz también captura información sobre la dirección de la que provino la luz. Esto le permite recuperar la profundidad y reconstruir una escena en tres dimensiones.

La tecnología se basa en una matriz de microlentes (MLA) colocada entre el lente principal de la cámara y el sensor de imagen. Cada lente microscópica actúa como una pequeña cámara, registrando la misma escena desde un ángulo ligeramente diferente. Cuando la información de todos estos lentes se combina, el sistema puede reconstruir un campo de luz, que describe la intensidad, posición y dirección de la luz entrante.

Para la detección de partículas, esta capacidad es particularmente útil porque la luz dentro de un centelleador puede ser extremadamente débil.

Cuando las cámaras plenópticas