Международная группа учёных под руководством физиков из Швейцарии представила революционный метод регистрации элементарных частиц. Вместо традиционных громоздких детекторов, разделённых на тысячи сегментов, исследователи использовали одну-единственную камеру светового поля, объединив её с высокочувствительным сенсором фотонов. Детектор отличается простотой и дешевизной, что может ускорить обнаружение таких неуловимых частиц, как нейтрино и тёмная материя.
Источник изображения: ETH Zurich
Современные детекторы для регистрации следов распада нейтрино на элементарные частицы представляют собой огромные объёмы сверхчистой жидкости, словно бусами пронизанной фотодетекторами (фотоумножителями). Сами нейтрино не могут регистрироваться напрямую в силу своих свойств — отсутствия заряда и сверхмалой массы. Такие объёмы могут быть созданы искусственно, а могут быть природными, как в случае нейтринных обсерваторий в водах Байкала, во льдах Антарктики или на дне Средиземного моря. Все эти установки объединяет одно — разбивка объёмов на сектора, что влечёт за собой использование тысяч и десятков тысяч датчиков.
Датчики нейтрино и других слабо взаимодействующих частиц, например частиц с малой энергией, для экспериментов в лабораториях и научных центрах могут быть более компактными. Однако они всё равно имеют секторную структуру, в которой используется волоконная оптика, часто включающая десятки тысяч оптических каналов и датчиков. Такая плотность в относительно небольших объёмах позволяет улавливать траектории субатомных частиц с субмиллиметровой точностью за относительно короткие промежутки времени. Нейтрино сталкивается с каким-либо атомом и разбивает его на более мелкие элементарные частицы, по следам которых воссоздаётся «виновник торжества».
Учёные из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) и Швейцарской высшей технической школы Лозанны (EPFL) создали датчик, не требующий сегментации рабочего объёма сцинтилляционного материала, в котором и возникают следы распада нейтрино, вызывая в конечном итоге регистрируемое возбуждение фотонов в материале. Датчик получил название PLATON. Одна специальная камера в таком датчике заменяет тысячи сенсоров при той же и даже большей разрешающей способности — это может значительно продвинуть учёных в изучении слабо взаимодействующих частиц.
Камера PLATON использует матрицу микролинз, которая фиксирует не только интенсивность, но и направление света, возникающего при прохождении заряженных частиц через объём сцинтиллятора. Несколько лет назад это была чрезвычайно популярная тема. По сути, это камера светового поля. На этом принципе строились голографические дисплеи и даже гарнитуры виртуальной реальности. В комбинации с датчиками, способными регистрировать единичные фотоны с наносекундной точностью, камера PLATON позволяет восстанавливать трёхмерную траекторию частиц без физической сегментации детектора — в монолитном объёме сцинтиллятора. Успешные испытания на источнике стронция-90, испускающего электроны, подтвердили эффективность метода.
Моделирование показывает, что уже для объёма сцинтиллятора 10 × 10 × 10 см система достигнет разрешения трека частиц менее 1 мм. При масштабировании до одного кубического метра (ключевой размер для нейтринных экспериментов) разрешение останется на уровне нескольких миллиметров, что соответствует лучшим мировым аналогам, но при несравнимо меньшей сложности изготовления системы. Ключевую роль в обработке изображений сыграла нейросеть на основе архитектуры Transformer, которая эффективно выделяла полезные сигналы из «шума» сцинтилляционных фотонов.
Более того, новый подход уже выходит за рамки фундаментальной науки. Авторы разработки подали три патента на использование технологии PLATON в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Команда ожидает, что дальнейшая работа над дизайном детектора откроет путь к субмиллиметровому разрешению для датчиков объёмом более одного кубометра — как для охоты за тёмной материей, так и для медицинской диагностики нового поколения.