Alcune scoperte in fisica nascono da invenzioni completamente nuove. Altre iniziano con una nuova teoria. Ma molti progressi avvengono quando i ricercatori combinano tecnologie familiari in modo inaspettato e creano qualcosa di più potente delle singole parti.

Questa strategia potrebbe essere particolarmente preziosa nella ricerca di particelle debolmente interagenti, inclusi i neutrini e alcuni candidati alla materia oscura. Queste particelle sono notoriamente difficili da rilevare perché interagiscono raramente con la materia ordinaria. Costruire rivelatori più grandi e migliorare la loro risoluzione spaziale può aumentare le probabilità di osservare i deboli segnali che producono, ma spesso rende gli strumenti più complicati e costosi.

Requisiti simili si applicano ai calorimetri, i dispositivi utilizzati negli esperimenti con collisori per misurare l'energia trasportata dalle particelle.

La maggior parte degli esperimenti di fisica delle particelle deve ricostruire i percorsi tridimensionali (3D) delle particelle elementari mentre si muovono attraverso grandi volumi di materiale denso.

Un materiale rivelatore comune è lo scintillatore. Quando una particella carica attraversa uno scintillatore, il materiale emette minuscoli lampi di luce visibile. Gli scienziati usano questi lampi per determinare dove la particella ha viaggiato e come ha interagito con il rivelatore.

Per individuare la posizione della particella, lo scintillatore è solitamente diviso in un vasto numero di piccole sezioni attive. Fibre ottiche raccolgono i fotoni prodotti in ciascuna sezione e portano la luce a fotomoltiplicatori o fotomoltiplicatori al silicio, che contano i fotoni.

Questo approccio può essere altamente preciso, ma diventa difficile da scalare.

L'esperimento di oscillazione dei neutrini T2K in Giappone, ad esempio, utilizza un rivelatore con circa due tonnellate di materiale sensibile composto da circa due milioni di cubetti e 60.000 fibre. Al CERN e al Paul Scherrer Institute, gli esperimenti LHCb e Mu3e raggiungono una risoluzione spaziale submillimetrica utilizzando milioni di sottili fibre scintillanti ottiche.

Questi sistemi dimostrano cosa possono ottenere i rivelatori segmentati, ma rivelano anche un problema crescente. Man mano che i rivelatori diventano più grandi, la produzione, l'assemblaggio e la lettura di milioni di componenti individuali possono diventare un importante collo di bottiglia tecnologico e finanziario.

Un Approccio Radicalmente Nuovo al Tracciamento delle Particelle

I ricercatori dell'ETH Zurigo e dell'EPFL stanno ora proponendo una strategia molto diversa.

Lo studente di dottorato Till Dieminger, lo scienziato senior Dr. Saúl Alonso-Monsalve, il Professor Davide Sgalaberna e i colleghi del suo gruppo, insieme ai membri del Laboratorio di Architettura Quantistica Avanzata dell'EPFL a Losanna guidati dal Professor Edoardo Charbon, hanno sviluppato e testato il primo prototipo di un rivelatore progettato per eseguire imaging di particelle 3D ultraveloce e ad alta risoluzione all'interno di un grande blocco non segmentato di materiale scintillatore.

Invece di dividere il rivelatore in milioni di unità minuscole, il sistema utilizza una tecnologia fotografica avanzata per ricostruire l'origine della luce.

La dimostrazione del prototipo e un'ampia serie di simulazioni sono state descritte di recente su Nature Communications.

Trasformare la Fotografia a Campo Luminoso in uno Strumento per la Fisica

Il rivelatore trae ispirazione dalle fotocamere plenottiche, note anche come fotocamere a campo luminoso.

A differenza di una fotocamera normale, che registra principalmente l'intensità della luce in arrivo, una fotocamera a campo luminoso cattura anche informazioni sulla direzione da cui la luce è arrivata. Ciò le consente di recuperare la profondità e ricostruire una scena in tre dimensioni.

La tecnologia si basa su un array di microlenti (MLA) posizionato tra l'obiettivo principale della fotocamera e il sensore di imaging. Ogni lente microscopica funge da minuscola fotocamera, registrando la stessa scena da un angolo leggermente diverso. Quando le informazioni di tutte queste lenti vengono combinate, il sistema può ricostruire un campo luminoso, che descrive l'intensità, la posizione e la direzione della luce in arrivo.

Per il rilevamento di particelle, questa capacità è particolarmente utile perché la luce all'interno di uno scintillatore può essere estremamente debole.

Quando le fotocamere plenottiche