Вместо того чтобы разбивать детектор на миллионы мелких частей, новая система применяет современные технологии камер для воссоздания траекторий частиц внутри большого единого блока материала, и такой метод обещает произвести революцию в области обнаружения труднодоступных частиц.
Слабовзаимодействующие частицы, такие как нейтрино и кандидаты в темную материю, крайне сложно обнаружить, так как они редко вступают в взаимодействие с обычным веществом. Традиционные детекторы применяют сцинтилляторы — материалы, которые производят маленькие вспышки видимого света при движении заряженной частицы. Для точного определения местоположения частицы сцинтиллятор, как правило, разбивают на огромное количество мелких активных секций. Например, детектор нейтринного эксперимента T2K в Японии использует около двух миллионов кубиков и 60 000 волокон. Однако по мере увеличения размеров детекторов, производство, сборка и считывание данных с миллионов отдельных компонентов становятся значительными технологическими и финансовыми барьерами.
Новая система, разработанная учеными Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) и Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в рамках проекта PLATON, предлагает совершенно новый подход. Команда под руководством докторанта Тилля Димингера, старшего научного сотрудника доктора Сауля Алонсо-Монсальве и профессора Давиде Сгалаберны создала и протестировала первый прототип детектора, который способен осуществлять сверхбыструю трехмерную визуализацию частиц высокого разрешения внутри большого единого блока сцинтиллятора.
Идея для такого детектора была вдохновлена пленоптическими, или светополевыми, камерами. В отличие от стандартной камеры, которая в основном фиксирует интенсивность входящего света, светополевая камера также захватывает информацию о направлении, откуда пришел свет. Это достигается благодаря микролинзовой матрице, расположенной между основной линзой камеры и сенсором изображения. Каждая микроскопическая линза функционирует как маленькая камера, записывая одну и ту же сцену под немного другим углом.
Система объединяет микролинзовую матрицу с датчиком изображения на основе лавинных фотодиодов, которые функционируют в режиме подсчета одиночных фотонов (SPAD). Этот датчик, названный SwissSPAD2, был разработан командой EPFL и способен обнаруживать отдельные фотоны. Ученые провели испытания пространственного разрешения PLATON в лабораторных условиях, используя уровни света от нескольких сотен обнаруженных фотонов до всего лишь пяти.
Результаты показали, что моделирование точно соответствует лабораторным измерениям. Симуляции предполагают, что неразделенный детектор PLATON размером 10×10×10 см³ может реально достичь пространственного разрешения менее 1 миллиметра. Разработчики также запатентовали три технологии для применения PLATON в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) — методе медицинской визуализации, что открывает широкие возможности за пределами физики частиц.
Фото: hi-tech.mail.ru