物理学のブレイクスルーの中には、まったく新しい発明から生まれるものもある。また、新しい理論から始まるものもある。しかし、多くの進歩は、研究者が馴染みのある技術を予想外の方法で組み合わせ、個々の部品よりも強力なものを作り出すことで起こる。

この戦略は、ニュートリノや特定の暗黒物質候補を含む弱く相互作用する粒子の探索において特に価値があるかもしれない。これらの粒子は通常の物質とほとんど相互作用しないため、検出が非常に難しい。より大きな検出器を構築し、その空間分解能を向上させることで、それらが生成する微弱な信号を観測する確率を高めることができるが、そうすると機器はより複雑で高価になることが多い。

同様の要求は、衝突型実験で粒子が運ぶエネルギーを測定するために使用される装置であるカロリメータにも当てはまる。

ほとんどの素粒子物理学実験では、高密度材料の大容量を通って移動する素粒子の3次元経路を再構築する必要がある。

一般的な検出器材料の一つはシンチレータである。荷電粒子がシンチレータを通過すると、材料は目に見える光の小さなフラッシュを放出する。科学者はこれらのフラッシュを使用して、粒子がどこを移動したか、検出器とどのように相互作用したかを判断する。

粒子の位置を特定するために、シンチレータは通常、膨大な数の小さな活性セクションに分割される。光ファイバーは各セクションで生成された光子を収集し、光を光電子増倍管またはシリコン光電子増倍管に運び、光子を計数する。

このアプローチは非常に正確である可能性があるが、スケールアップが困難になる。

例えば、日本のT2Kニュートリノ振動実験では、約200万個の立方体と6万本のファイバーからなる約2トンの有感材料を使用する検出器を使用している。CERNとポール・シェラー研究所では、LHCb実験とMu3e実験が、数百万本の細いシンチレーション光ファイバーを使用してサブミリメートルの空間分解能を達成している。

これらのシステムは、セグメント化された検出器が達成できることを示しているが、同時に増大する問題も明らかにしている。検出器が大型化するにつれて、数百万の個別コンポーネントの製造、組み立て、読み出しは、主要な技術的および財政的ボトルネックになる可能性がある。

粒子追跡への根本的に新しいアプローチ

ETHチューリッヒとEPFLの研究者たちは、現在、非常に異なる戦略を提案している。

博士課程の学生Till Dieminger、上級科学者Dr. Saúl Alonso-Monsalve、教授Davide Sgalabernaとそのグループの同僚、およびローザンヌのEPFLにあるAdvanced Quantum Architecture Labのメンバー（教授Edoardo Charbonが率いる）は、大型の非セグメント化シンチレータ材料ブロック内で超高速、高解像度の3D粒子イメージングを実行するように設計された検出器の最初のプロトタイプを開発し、テストした。

検出器を数百万の小さなユニットに分割する代わりに、システムは高度なカメラ技術を使用して光の発生源を再構築する。

プロトタイプのデモンストレーションと広範な一連のシミュレーションは、最近Nature Communicationsで説明された。

ライトフィールド写真を物理学ツールに変える

この検出器は、プレノプティックカメラ、別名ライトフィールドカメラから着想を得ている。

通常のカメラが主に入射光の強度を記録するのに対し、ライトフィールドカメラは光が到着した方向に関する情報も捕捉する。これにより、深度を回復し、シーンを3次元で再構築できる。

この技術は、カメラのメインレンズとイメージセンサーの間に配置されたマイクロレンズアレイに依存している。各マイクロレンズは小さなカメラのように機能し、同じシーンをわずかに異なる角度から記録する。これらすべてのレンズからの情報を組み合わせると、システムは入射光の強度、位置、方向を記述するライトフィールドを再構築できる。

粒子検出の場合、この能力は特に有用である。シンチレータ内の光は非常に微弱である可能性があるためである。

プレノプティックカメラが