Niektóre przełomy w fizyce pochodzą z zupełnie nowych wynalazków. Inne zaczynają się od nowej teorii. Ale wiele postępów ma miejsce, gdy badacze łączą znane technologie w nieoczekiwany sposób i tworzą coś potężniejszego niż poszczególne części.

Ta strategia może być szczególnie cenna w poszukiwaniu słabo oddziałujących cząstek, w tym neutrin i niektórych kandydatów na ciemną materię. Cząstki te są notorycznie trudne do wykrycia, ponieważ rzadko oddziałują ze zwykłą materią. Budowanie większych detektorów i poprawa ich rozdzielczości przestrzennej może zwiększyć szanse na zaobserwowanie słabych sygnałów, które wytwarzają, ale często czyni to instrumenty bardziej skomplikowanymi i drogimi.

Podobne wymagania dotyczą kalorymetrów, urządzeń używanych w eksperymentach zderzeniowych do pomiaru energii niesionej przez cząstki.

Większość eksperymentów fizyki cząstek musi rekonstruować trójwymiarowe (3D) ścieżki cząstek elementarnych, gdy poruszają się one przez duże objętości gęstego materiału.

Jednym z powszechnych materiałów detektorowych jest scyntylator. Kiedy naładowana cząstka przechodzi przez scyntylator, materiał emituje maleńkie błyski światła widzialnego. Naukowcy używają tych błysków, aby określić, gdzie cząstka podróżowała i jak oddziaływała z detektorem.

Aby precyzyjnie zlokalizować cząstkę, scyntylator jest zwykle podzielony na ogromną liczbę małych aktywnych sekcji. Włókna optyczne zbierają fotony wytwarzane w każdej sekcji i przenoszą światło do fotopowielaczy lub krzemowych fotopowielaczy, które zliczają fotony.

To podejście może być bardzo precyzyjne, ale trudno je skalować.

Na przykład eksperyment T2K dotyczący oscylacji neutrin w Japonii używa detektora z około dwiema tonami czułego materiału wykonanego z około dwóch milionów kostek i 60 000 włókien. W CERN i Instytucie Paula Scherrera eksperymenty LHCb i Mu3e osiągają rozdzielczość przestrzenną poniżej milimetra, używając milionów cienkich scyntylacyjnych włókien optycznych.

Systemy te pokazują, co mogą osiągnąć detektory segmentowane, ale ujawniają również rosnący problem. W miarę powiększania się detektorów produkcja, montaż i odczyt milionów pojedynczych komponentów może stać się poważnym wąskim gardłem technologicznym i finansowym.

Radykalnie Nowe Podejście do Śledzenia Cząstek

Naukowcy z ETH Zurich i EPFL proponują teraz bardzo inną strategię.

Doktorant Till Dieminger, starszy naukowiec dr Saúl Alonso-Monsalve, profesor Davide Sgalaberna i koledzy z jego grupy, wraz z członkami Advanced Quantum Architecture Lab w EPFL w Lozannie kierowanym przez profesora Edoardo Charbon, opracowali i przetestowali pierwszy prototyp detektora zaprojektowanego do wykonywania ultraszybkiego, wysokorozdzielczego obrazowania cząstek 3D wewnątrz dużego, niesegmentowanego bloku materiału scyntylacyjnego.

Zamiast dzielić detektor na miliony maleńkich jednostek, system wykorzystuje zaawansowaną technologię kamer do rekonstrukcji, skąd pochodzi światło.

Demonstracja prototypu i obszerna seria symulacji zostały opisane niedawno w Nature Communications.

Zamiana Fotografii Pola Świetlnego w Narzędzie Fizyczne

Detektor czerpie inspirację z kamer plenoptycznych, znanych również jako kamery pola świetlnego.

W przeciwieństwie do zwykłej kamery, która rejestruje głównie natężenie padającego światła, kamera pola świetlnego przechwytuje również informacje o kierunku, z którego światło nadeszło. Pozwala to na odzyskanie głębi i rekonstrukcję sceny w trzech wymiarach.

Technologia opiera się na matrycy mikrosoczewek (MLA) umieszczonej między głównym obiektywem kamery a czujnikiem obrazu. Każda mikroskopijna soczewka działa jak mały aparat, rejestrując tę samą scenę z nieco innego kąta. Gdy informacje ze wszystkich tych soczewek zostaną połączone, system może zrekonstruować pole świetlne, które opisuje intensywność, położenie i kierunek padającego światła.

W przypadku wykrywania cząstek ta zdolność jest szczególnie przydatna, ponieważ światło wewnątrz scyntylatora może być niezwykle słabe.

Gdy kamery plenoptyczne