Alguns avanços na física vêm de invenções totalmente novas. Outros começam com uma nova teoria. Mas muitas descobertas acontecem quando pesquisadores combinam tecnologias familiares de uma forma inesperada e criam algo mais poderoso que as partes individuais.

Essa estratégia pode ser especialmente valiosa na busca por partículas de interação fraca, incluindo neutrinos e certos candidatos a matéria escura. Essas partículas são notoriamente difíceis de detectar porque raramente interagem com a matéria comum. Construir detectores maiores e melhorar sua resolução espacial pode aumentar as chances de observar os sinais fracos que produzem, mas fazer isso muitas vezes torna os instrumentos mais complicados e caros.

Demandas semelhantes se aplicam aos calorímetros, os dispositivos usados em experimentos de colisores para medir a energia transportada pelas partículas.

A maioria dos experimentos de física de partículas precisa reconstruir os caminhos tridimensionais (3D) das partículas elementares à medida que se movem através de grandes volumes de material denso.

Um material detector comum é o cintilador. Quando uma partícula carregada passa por um cintilador, o material emite pequenos flashes de luz visível. Os cientistas usam esses flashes para determinar onde a partícula viajou e como interagiu com o detector.

Para localizar a posição da partícula, o cintilador é geralmente dividido em um grande número de pequenas seções ativas. Fibras ópticas coletam os fótons produzidos em cada seção e levam a luz para tubos fotomultiplicadores ou fotomultiplicadores de silício, que contam os fótons.

Essa abordagem pode ser altamente precisa, mas se torna difícil de escalar.

O experimento de oscilação de neutrinos T2K no Japão, por exemplo, usa um detector com cerca de duas toneladas de material sensível feito de aproximadamente dois milhões de cubos e 60.000 fibras. No CERN e no Instituto Paul Scherrer, os experimentos LHCb e Mu3e alcançam resolução espacial sub-milimétrica usando milhões de finas fibras ópticas cintilantes.

Esses sistemas demonstram o que detectores segmentados podem realizar, mas também revelam um problema crescente. À medida que os detectores se tornam maiores, fabricar, montar e ler milhões de componentes individuais pode se tornar um gargalo tecnológico e financeiro significativo.

Uma Abordagem Radicalmente Nova para Rastreamento de Partículas

Pesquisadores da ETH Zurique e da EPFL estão agora propondo uma estratégia muito diferente.

O estudante de doutorado Till Dieminger, o cientista sênior Dr. Saúl Alonso-Monsalve, o Professor Davide Sgalaberna e colegas de seu grupo, juntamente com membros do Laboratório de Arquitetura Quântica Avançada da EPFL em Lausanne liderado pelo Professor Edoardo Charbon, desenvolveram e testaram o primeiro protótipo de um detector projetado para realizar imageamento de partículas 3D ultrarrápido e de alta resolução dentro de um grande bloco não segmentado de material cintilador.

Em vez de dividir o detector em milhões de unidades minúsculas, o sistema usa tecnologia de câmera avançada para reconstruir a origem da luz.

A demonstração do protótipo e uma extensa série de simulações foram descritas recentemente na Nature Communications.

Transformando a Fotografia de Campo de Luz em uma Ferramenta de Física

O detector se inspira em câmeras plenópticas, também conhecidas como câmeras de campo de luz.

Ao contrário de uma câmera comum, que registra principalmente a intensidade da luz que chega, uma câmera de campo de luz também captura informações sobre a direção de onde a luz veio. Isso permite que ela recupere a profundidade e reconstrua uma cena em três dimensões.

A tecnologia depende de uma matriz de microlentes (MLA) colocada entre a lente principal da câmera e o sensor de imagem. Cada lente microscópica age como uma pequena câmera, registrando a mesma cena de um ângulo ligeiramente diferente. Quando as informações de todas essas lentes são combinadas, o sistema pode reconstruir um campo de luz, que descreve a intensidade, posição e direção da luz que chega.

Para a detecção de partículas, essa capacidade é particularmente útil porque a luz dentro de um cintilador pode ser extremamente fraca.

Quando câmeras plenópticas