Sommige doorbraken in de natuurkunde komen voort uit gloednieuwe uitvindingen. Andere beginnen met een nieuwe theorie. Maar veel vooruitgang ontstaat wanneer onderzoekers vertrouwde technologieën op een onverwachte manier combineren en iets krachtigers creëren dan de afzonderlijke onderdelen.

Die strategie kan bijzonder waardevol zijn bij de zoektocht naar zwak interagerende deeltjes, waaronder neutrino's en bepaalde donkere materie-kandidaten. Deze deeltjes zijn berucht moeilijk te detecteren omdat ze zelden met gewone materie interageren. Het bouwen van grotere detectoren en het verbeteren van hun ruimtelijke resolutie kan de kans vergroten om de zwakke signalen die ze produceren waar te nemen, maar dat maakt de instrumenten vaak ingewikkelder en duurder.

Vergelijkbare eisen gelden voor calorimeters, de apparaten die in collider-experimenten worden gebruikt om de energie van deeltjes te meten.

De meeste deeltjesfysica-experimenten moeten de driedimensionale (3D) banen van elementaire deeltjes reconstrueren terwijl ze door grote volumes dicht materiaal bewegen.

Een veelgebruikt detectormateriaal is een scintillator. Wanneer een geladen deeltje door een scintillator gaat, geeft het materiaal kleine lichtflitsen van zichtbaar licht af. Wetenschappers gebruiken die flitsen om te bepalen waar het deeltje reisde en hoe het met de detector interageerde.

Om de locatie van het deeltje te pinpointen, wordt de scintillator meestal verdeeld in een groot aantal kleine actieve secties. Optische vezels verzamelen de fotonen die in elke sectie worden geproduceerd en brengen het licht naar fotomultiplicatorbuizen of siliciumfotomultiplicatoren, die de fotonen tellen.

Deze aanpak kan zeer precies zijn, maar wordt moeilijk op te schalen.

Het T2K-neutrino-oscillatie-experiment in Japan gebruikt bijvoorbeeld een detector met ongeveer twee ton gevoelig materiaal, gemaakt van ongeveer twee miljoen kubussen en 60.000 vezels. Bij CERN en het Paul Scherrer Instituut bereiken de LHCb- en Mu3e-experimenten submillimeter ruimtelijke resolutie door miljoenen dunne scintillerende optische vezels te gebruiken.

Deze systemen laten zien wat gesegmenteerde detectoren kunnen bereiken, maar ze onthullen ook een groeiend probleem. Naarmate detectoren groter worden, kan het fabriceren, assembleren en uitlezen van miljoenen individuele componenten een groot technologisch en financieel knelpunt worden.

Een Radicaal Nieuwe Benadering van Deeltjesdetectie

Onderzoekers van ETH Zürich en EPFL stellen nu een heel andere strategie voor.

PhD-student Till Dieminger, senior wetenschapper Dr. Saúl Alonso-Monsalve, professor Davide Sgalaberna en collega's in zijn groep, samen met leden van het Advanced Quantum Architecture Lab aan de EPFL in Lausanne onder leiding van professor Edoardo Charbon, ontwikkelden en testten het eerste prototype van een detector ontworpen voor ultrasnelle, hoge-resolutie 3D-deeltjesbeeldvorming in een groot, ongesegmenteerd blok scintillatormateriaal.

In plaats van de detector in miljoenen kleine eenheden te verdelen, gebruikt het systeem geavanceerde cameratechnologie om te reconstrueren waar het licht vandaan kwam.

De prototype-demonstratie en een uitgebreide reeks simulaties werden onlangs beschreven in Nature Communications.

Lichtveld Fotografie omzetten in een Natuurkundig Hulpmiddel

De detector is geïnspireerd op plenoptische camera's, ook wel lichtveldcamera's genoemd.

In tegenstelling tot een gewone camera, die voornamelijk de intensiteit van binnenkomend licht registreert, legt een lichtveldcamera ook informatie vast over de richting waaruit het licht kwam. Hierdoor kan hij diepte herstellen en een scène in drie dimensies reconstrueren.

De technologie is gebaseerd op een microlensarray (MLA) die tussen de hoofdlens van de camera en de beeldsensor wordt geplaatst. Elke microscopische lens fungeert als een kleine camera en neemt dezelfde scène vanuit een iets andere hoek op. Wanneer de informatie van al deze lenzen wordt gecombineerd, kan het systeem een lichtveld reconstrueren, dat de intensiteit, positie en richting van het binnenkomende licht beschrijft.

Voor deeltjesdetectie is dit vermogen bijzonder nuttig omdat het licht in een scintillator extreem zwak kan zijn.

Wanneer plenoptische camera's