Vissa genombrott inom fysiken kommer från helt nya uppfinningar. Andra börjar med en ny teori. Men många framsteg sker när forskare kombinerar välkänd teknik på ett oväntat sätt och skapar något kraftfullare än de enskilda delarna.
Den strategin kan vara särskilt värdefull i jakten på svagt växelverkande partiklar, inklusive neutrinoer och vissa mörk materia-kandidater. Dessa partiklar är notoriskt svåra att upptäcka eftersom de sällan växelverkar med vanlig materia. Att bygga större detektorer och förbättra deras rumsliga upplösning kan öka chanserna att observera de svaga signaler de producerar, men det gör ofta instrumenten mer komplicerade och dyra.
Liknande krav gäller för kalorimetrar, de apparater som används i kollider-experiment för att mäta energin som partiklar bär.
De flesta partikelfysikexperiment måste rekonstruera de tredimensionella (3D) banorna för elementarpartiklar när de rör sig genom stora volymer av tätt material.
Ett vanligt detektormaterial är en scintillator. När en laddad partikel passerar genom en scintillator avger materialet små blixtar av synligt ljus. Forskare använder dessa blixtar för att avgöra var partikeln färdades och hur den växelverkade med detektorn.
För att lokalisera partikelns position delas scintillatorn vanligtvis upp i ett stort antal små aktiva sektioner. Optiska fibrer samlar in fotonerna som produceras i varje sektion och leder ljuset till fotomultiplikatorrör eller kisel-fotomultiplikatorer, som räknar fotonerna.
Denna metod kan vara mycket precis, men den blir svår att skala upp.
T2K-neutrinooscillationsexperimentet i Japan använder till exempel en detektor med cirka två ton känsligt material bestående av ungefär två miljoner kuber och 60 000 fibrer. Vid CERN och Paul Scherrer-institutet når LHCb- och Mu3e-experimenten submillimeters rumslig upplösning genom att använda miljontals tunna scintillerande optiska fibrer.
Dessa system visar vad segmenterade detektorer kan åstadkomma, men de avslöjar också ett växande problem. När detektorer blir större kan tillverkning, montering och avläsning av miljontals enskilda komponenter bli en stor teknisk och ekonomisk flaskhals.
En radikal ny metod för partikelspårning
Forskare vid ETH Zürich och EPFL föreslår nu en helt annan strategi.
Doktoranden Till Dieminger, seniorforskaren Dr. Saúl Alonso-Monsalve, professor Davide Sgalaberna och kollegor i hans grupp, tillsammans med medlemmar av Advanced Quantum Architecture Lab vid EPFL i Lausanne lett av professor Edoardo Charbon, har utvecklat och testat den första prototypen av en detektor designad för att utföra ultrasnabb, högupplöst 3D-partikelavbildning inuti ett stort, osegmenterat block av scintillatormaterial.
Istället för att dela upp detektorn i miljontals små enheter använder systemet avancerad kamerateknik för att rekonstruera var ljuset kom ifrån.
Prototypdemonstrationen och en omfattande serie simuleringar beskrevs nyligen i Nature Communications.
Att göra ljusfältsfotografering till ett fysikverktyg
Detektorn hämtar inspiration från plenoptiska kameror, även kända som ljusfältskameror.
Till skillnad från en vanlig kamera, som huvudsakligen registrerar intensiteten hos inkommande ljus, fångar en ljusfältskamera också information om riktningen från vilken ljuset kom. Detta gör att den kan återge djup och rekonstruera en scen i tre dimensioner.
Tekniken bygger på en mikrolinsmatris (MLA) placerad mellan kamerans huvudlins och bildsensor. Varje mikroskopisk lins fungerar som en liten kamera och registrerar samma scen från en något annorlunda vinkel. När informationen från alla dessa linser kombineras kan systemet rekonstruera ett ljusfält, som beskriver intensiteten, positionen och riktningen hos det inkommande ljuset.
För partikeldetektion är denna förmåga särskilt användbar eftersom ljuset inuti en scintillator kan vara extremt svagt.
När plenoptiska kameror