Unele descoperiri în fizică vin din invenții complet noi. Altele încep cu o teorie nouă. Dar multe progrese apar atunci când cercetătorii combină tehnologii familiare într-un mod neașteptat și creează ceva mai puternic decât părțile individuale.
Această strategie ar putea fi deosebit de valoroasă în căutarea particulelor slab interactive, inclusiv neutrino și anumiți candidați pentru materia întunecată. Aceste particule sunt notoriu de greu de detectat pentru că rareori interacționează cu materia obișnuită. Construirea de detectoare mai mari și îmbunătățirea rezoluției lor spațiale pot crește șansele de a observa semnalele slabe pe care le produc, dar acest lucru face adesea instrumentele mai complicate și mai scumpe.
Cerințe similare se aplică și calorimetrelor, dispozitivele folosite în experimentele cu acceleratoare pentru a măsura energia transportată de particule.
Majoritatea experimentelor de fizică a particulelor trebuie să reconstruiască traseele tridimensionale (3D) ale particulelor elementare pe măsură ce se deplasează prin volume mari de material dens.
Un material detector comun este scintilatorul. Când o particulă încărcată trece printr-un scintilator, materialul emite sclipiri minuscule de lumină vizibilă. Oamenii de știință folosesc aceste sclipiri pentru a determina unde a călătorit particula și cum a interacționat cu detectorul.
Pentru a localiza precis particula, scintilatorul este de obicei împărțit într-un număr mare de secțiuni active mici. Fibre optice colectează fotonii produși în fiecare secțiune și transportă lumina către tuburi fotomultiplicatoare sau fotomultiplicatoare cu siliciu, care numără fotonii.
Această abordare poate fi foarte precisă, dar devine dificil de scalat.
Experimentul T2K de oscilație a neutrinilor din Japonia, de exemplu, folosește un detector cu aproximativ două tone de material sensibil format din aproximativ două milioane de cuburi și 60.000 de fibre. La CERN și Institutul Paul Scherrer, experimentele LHCb și Mu3e ating o rezoluție spațială sub-milimetrică folosind milioane de fibre scintilante subțiri.
Aceste sisteme demonstrează ce pot realiza detectoarele segmentate, dar dezvăluie și o problemă tot mai mare. Pe măsură ce detectoarele devin mai mari, fabricarea, asamblarea și citirea a milioane de componente individuale pot deveni un blocaj tehnologic și financiar major.
O Abordare Radical Nouă pentru Urmărirea Particulelor
Cercetătorii de la ETH Zurich și EPFL propun acum o strategie foarte diferită.
Studentul doctorand Till Dieminger, omul de știință senior Dr. Saúl Alonso-Monsalve, profesorul Davide Sgalaberna și colegii din grupul său, împreună cu membrii Laboratorului de Arhitectură Cuantică Avansată de la EPFL din Lausanne condus de profesorul Edoardo Charbon, au dezvoltat și testat primul prototip al unui detector conceput pentru a realiza imagini ultrarapide, de înaltă rezoluție 3D ale particulelor în interiorul unui bloc mare, nesegmentat, de material scintilator.
În loc să împartă detectorul în milioane de unități mici, sistemul folosește tehnologie avansată de cameră pentru a reconstrui originea luminii.
Demonstrația prototipului și o serie extinsă de simulări au fost descrise recent în Nature Communications.
Transformarea Fotografiei cu Câmp de Lumină într-un Instrument de Fizică
Detectorul se inspiră din camerele plenoptice, cunoscute și sub numele de camere cu câmp de lumină.
Spre deosebire de o cameră obișnuită, care înregistrează în principal intensitatea luminii incidente, o cameră cu câmp de lumină captează și informații despre direcția din care a venit lumina. Acest lucru îi permite să recupereze adâncimea și să reconstruiască o scenă în trei dimensiuni.
Tehnologia se bazează pe o rețea de microlentile (MLA) plasată între obiectivul principal al camerei și senzorul de imagine. Fiecare lentilă microscopică acționează ca o cameră mică, înregistrând aceeași scenă dintr-un unghi ușor diferit. Când informațiile de la toate aceste lentile sunt combinate, sistemul poate reconstrui un câmp de lumină, care descrie intensitatea, poziția și direcția luminii incidente.
Pentru detectarea particulelor, această capacitate este deosebit de utilă deoarece lumina din interiorul unui scintilator poate fi extrem de slabă.
Când camerele plenoptice