물리학의 일부 돌파구는 완전히 새로운 발명에서 나옵니다. 다른 것들은 새로운 이론에서 시작됩니다. 하지만 많은 발전은 연구자들이 익숙한 기술을 예상치 못한 방식으로 결합하여 개별 부품보다 더 강력한 무언가를 만들어낼 때 일어납니다.

이러한 전략은 중성미자와 특정 암흑 물질 후보를 포함한 약하게 상호작용하는 입자를 찾는 데 특히 가치가 있을 수 있습니다. 이 입자들은 일반 물질과 거의 상호작용하지 않기 때문에 악명 높게 탐지하기 어렵습니다. 더 큰 검출기를 만들고 공간 분해능을 개선하면 그들이 생성하는 희미한 신호를 관찰할 확률을 높일 수 있지만, 그렇게 하면 종종 장비가 더 복잡하고 비싸집니다.

유사한 요구 사항이 충돌 실험에서 입자가 운반하는 에너지를 측정하는 데 사용되는 장치인 열량계에도 적용됩니다.

대부분의 입자 물리 실험은 기본 입자가 밀도가 높은 물질의 큰 부피를 통과할 때 그 3차원 경로를 재구성해야 합니다.

일반적인 검출기 재료 중 하나는 섬광체입니다. 하전 입자가 섬광체를 통과하면 재료가 눈에 보이는 빛의 미세한 섬광을 방출합니다. 과학자들은 이러한 섬광을 사용하여 입자가 이동한 위치와 검출기와 어떻게 상호작용했는지 확인합니다.

입자의 위치를 정확히 찾기 위해 섬광체는 일반적으로 수많은 작은 활성 섹션으로 나뉩니다. 광섬유는 각 섹션에서 생성된 광자를 수집하여 광전자 증배관이나 실리콘 광전자 증배관으로 빛을 전달하며, 이들은 광자를 계산합니다.

이 접근 방식은 매우 정밀할 수 있지만 확장하기 어려워집니다.

예를 들어, 일본의 T2K 중성미자 진동 실험은 약 200만 개의 큐브와 60,000개의 섬유로 만들어진 약 2톤의 민감한 재료를 가진 검출기를 사용합니다. CERN과 Paul Scherrer Institute에서 LHCb와 Mu3e 실험은 수백만 개의 얇은 섬광 광섬유를 사용하여 서브밀리미터 공간 분해능에 도달합니다.

이러한 시스템은 분할 검출기가 무엇을 할 수 있는지 보여주지만, 또한 증가하는 문제를 드러냅니다. 검출기가 커짐에 따라 수백만 개의 개별 구성 요소를 제조, 조립 및 판독하는 것은 주요 기술적 및 재정적 병목 현상이 될 수 있습니다.

입자 추적에 대한 급진적인 새로운 접근 방식

취리히 연방 공과대학교(ETH Zurich)와 로잔 연방 공과대학교(EPFL)의 연구자들은 이제 매우 다른 전략을 제안하고 있습니다.

박사 과정 학생 Till Dieminger, 수석 과학자 Dr. Saúl Alonso-Monsalve, Davide Sgalaberna 교수와 그의 그룹 동료들, 그리고 Edoardo Charbon 교수가 이끄는 로잔 EPFL의 고급 양자 아키텍처 연구소 구성원들은 크고 분할되지 않은 섬광체 재료 블록 내에서 초고속, 고해상도 3D 입자 이미징을 수행하도록 설계된 검출기의 첫 번째 프로토타입을 개발하고 테스트했습니다.

검출기를 수백만 개의 작은 단위로 나누는 대신, 시스템은 고급 카메라 기술을 사용하여 빛이 발생한 위치를 재구성합니다.

프로토타입 시연과 광범위한 일련의 시뮬레이션이 최근 Nature Communications에 설명되었습니다.

라이트 필드 사진을 물리학 도구로 전환

이 검출기는 플레놉틱 카메라(light field camera)라고도 알려진 라이트 필드 카메라에서 영감을 얻었습니다.

일반 카메라가 주로 들어오는 빛의 강도를 기록하는 반면, 라이트 필드 카메라는 빛이 도착한 방향에 대한 정보도 포착합니다. 이를 통해 깊이를 복구하고 장면을 3차원으로 재구성할 수 있습니다.

이 기술은 카메라의 메인 렌즈와 이미징 센서 사이에 배치된 마이크로 렌즈 어레이(MLA)에 의존합니다. 각 미세 렌즈는 작은 카메라처럼 작동하여 동일한 장면을 약간 다른 각도에서 기록합니다. 모든 렌즈의 정보가 결합되면 시스템은 들어오는 빛의 강도, 위치 및 방향을 설명하는 라이트 필드를 재구성할 수 있습니다.

입자 검출의 경우, 이 기능은 섬광체 내부의 빛이 매우 희미할 수 있기 때문에 특히 유용합니다.

플레놉틱 카메라가