Fizicienii au dezvoltat o cameră complet nouă pentru detectarea neutrino-ilor și a materiei întunecate

Nouă metodă de înregistrare a particulelor elementare: de la detectoare voluminoase la o singură cameră

Un grup internațional de cercetători condus de fizicieni elvețieni a prezentat un metod inovator pentru detectarea neutrino-ilor și materiei întunecate. În locul sistemelor masive, împărțite în mii de segmente, au folosit o cameră unică de câmp luminos combinată cu un senzor fotonic ultra-sensibil. Această abordare face detectorul simplu și economic, ceea ce poate accelera căutarea celor mai greu de prins particule.

Detectoarele tradiționale de neutrini
Instalațiile moderne pentru înregistrarea urmelor de decădere a neutrino-ilor sunt volume enorme de lichid ultra-curat, impregnat cu fotodetecțiuni (multiplicatoare foto). Neutrinii nu interacționează direct cu materia din cauza lipsei încărcăturii și masei reduse, astfel încât „urmele” lor devin vizibile doar după decăderea atomilor în lichid. Aceste detectoare pot fi artificiale (de exemplu, în rezervoruri mari) sau naturale – cum ar fi în Baikal, Antarctica sau la fundul Mării Medii. În ambele cazuri volumul este împărțit în sectoare, ceea ce duce la utilizarea zeci de mii de senzori.

Soluții compacte și limitările lor
Pentru experimentele de laborator se pot folosi detectoare mai compacte, dar acestea păstrează totuși structura sectorială și rețeaua de fibră optică din zeci de mii de canale. Această densitate permite înregistrarea traiectoriilor subatomice cu precizie la sute de milimetri pentru un timp scurt. Neutrinii se întâlnesc cu atomul, îl rupând în particule mai mici; urmele acestor fracturi reconstituie „culpata” evenimentului.

Noua tehnologie PLATON
Cercetătorii din ETH Zurich și EPFL au dezvoltat senzorul PLATON, care nu necesită segmentarea materialului scintilant. În interiorul unui singur volum se creează urme de decădere a neutrino-ilor, care sunt apoi înregistrate prin fotoni. O singură cameră înlocuiește mii de senzori, păstrând și chiar îmbunătățind capacitatea de rezoluție.

Camera PLATON utilizează o matrice de microlentile, care captează nu doar intensitatea luminii, ci și direcția acesteia. Acest lucru permite reconstruirea traiectoriei tridimensionale a particulei fără segmentarea fizică a detectorului. Testele pe sursa de strontiu-90 (electroni) au confirmat eficiența metodei.

Rezoluție și scalare
Modelarea arată că pentru un scintilator de 10 × 10 × 10 cm, sistemul atinge o rezoluție a traiectoriei sub 1 mm. La extinderea la un metru cub (dimensiunea standard a experimentelor de neutrini) precizia rămâne în limitele câtorva milimetri – comparabilă cu cele mai bune echivalente mondiale, dar cu o complexitate mult mai mică a asamblării.

Un rol cheie în procesarea imaginilor îl joacă rețeaua neurală bazată pe arhitectura Transformer, care extrage eficient semnalele utile din „zgomotul” fotonilor scintilanti.

Perspective de aplicare
Dezvoltatorii au depus deja trei brevete pentru utilizarea tehnologiei PLATON în tomografia cu emisie de pozitroni (PET). Echipa așteaptă ca îmbunătățirile ulterioare ale designului să permită atingerea unei rezoluții sub-milimetrică pentru detectoare de volumul peste un metru cub – deschizând noi posibilități atât în căutarea materiei întunecate, cât și în aplicațiile medicale.