Некоторые прорывы в физике происходят благодаря совершенно новым изобретениям. Другие начинаются с новой теории. Но многие достижения случаются, когда исследователи комбинируют знакомые технологии неожиданным образом и создают нечто более мощное, чем сумма отдельных частей.

Эта стратегия может быть особенно ценной в поиске слабо взаимодействующих частиц, включая нейтрино и некоторые кандидаты в тёмную материю. Эти частицы печально известны своей неуловимостью, поскольку редко взаимодействуют с обычной материей. Строительство более крупных детекторов и улучшение их пространственного разрешения может повысить шансы на наблюдение слабых сигналов, которые они производят, но это часто делает приборы более сложными и дорогими.

Аналогичные требования предъявляются к калориметрам — устройствам, используемым в коллайдерных экспериментах для измерения энергии, переносимой частицами.

Большинство экспериментов по физике частиц нуждаются в реконструкции трёхмерных (3D) траекторий элементарных частиц, когда они движутся через большие объёмы плотного материала.

Один из распространённых материалов детекторов — сцинтиллятор. Когда заряженная частица проходит через сцинтиллятор, материал испускает крошечные вспышки видимого света. Учёные используют эти вспышки, чтобы определить, где прошла частица и как она взаимодействовала с детектором.

Чтобы точно определить местоположение частицы, сцинтиллятор обычно разделяют на огромное количество маленьких активных секций. Оптические волокна собирают фотоны, произведённые в каждой секции, и передают свет на фотоумножители или кремниевые фотоумножители, которые подсчитывают фотоны.

Этот подход может быть очень точным, но его трудно масштабировать.

Например, эксперимент T2K по осцилляциям нейтрино в Японии использует детектор с примерно двумя тоннами чувствительного материала, состоящего из примерно двух миллионов кубиков и 60 000 волокон. В ЦЕРНе и Институте Пауля Шеррера эксперименты LHCb и Mu3e достигают субмиллиметрового пространственного разрешения, используя миллионы тонких сцинтиллирующих оптических волокон.

Эти системы демонстрируют, на что способны сегментированные детекторы, но они также выявляют растущую проблему. По мере увеличения размеров детекторов производство, сборка и считывание миллионов отдельных компонентов могут стать серьёзным технологическим и финансовым узким местом.

Радикально новый подход к отслеживанию частиц

Исследователи из ETH Zurich и EPFL теперь предлагают совершенно другую стратегию.

Аспирант Тилль Диемангер, старший научный сотрудник доктор Сауль Алонсо-Монсальве, профессор Давиде Сгалаберна и коллеги из его группы, совместно с членами Лаборатории передовой квантовой архитектуры в EPFL в Лозанне под руководством профессора Эдоардо Шарбона, разработали и испытали первый прототип детектора, предназначенного для выполнения сверхбыстрой высокоразрешающей 3D-визуализации частиц внутри большого несегментированного блока сцинтилляционного материала.

Вместо разделения детектора на миллионы крошечных элементов система использует передовую камеру для реконструкции источника света.

Прототип и обширная серия симуляций были описаны недавно в Nature Communications.

Превращение светопольной фотографии в инструмент физики

Детектор вдохновлён пленоптическими камерами, также известными как камеры светового поля.

В отличие от обычной камеры, которая в основном записывает интенсивность падающего света, камера светового поля также захватывает информацию о направлении, с которого пришёл свет. Это позволяет ей восстанавливать глубину и реконструировать сцену в трёх измерениях.

Технология основана на массиве микролинз (MLA), размещённом между основным объективом камеры и сенсором изображения. Каждая микроскопическая линза действует как крошечная камера, записывая одну и ту же сцену с немного другого угла. Когда информация от всех этих линз объединяется, система может реконструировать световое поле, которое описывает интенсивность, положение и направление падающего света.

Для обнаружения частиц эта способность особенно полезна, потому что свет внутри сцинтиллятора может быть чрезвычайно слабым.

Когда пленоптические камеры