Μια νέα συσκευή από ερευνητές του ETH Zurich και της EPFL υπόσχεται να «βλέπει» τη διαδρομή σωματιδίων που συνήθως περνούν απαρατήρητα. Το πρωτότυπο ονομάζεται PLATON και, αντί να τεμαχίζει έναν ανιχνευτή σε εκατομμύρια μικρά κομμάτια, χρησιμοποιεί μια κάμερα για να ανασυνθέτει σε τρεις διαστάσεις το αμυδρό φως που αφήνουν τα σωματίδια.
Πώς αφήνουν ίχνος τα αόρατα σωματίδια
Πολλά σωματίδια δεν γίνονται άμεσα ορατά. Όταν όμως ένα φορτισμένο σωματίδιο περνά μέσα από έναν σπινθηριστή —ένα υλικό που εκπέμπει ελάχιστο ορατό φως— αφήνει μικρές λάμψεις. Από αυτές τις λάμψεις οι φυσικοί μπορούν να εκτιμήσουν από πού πέρασε και πώς αλληλεπίδρασε με το υλικό.
Στους συνηθισμένους ανιχνευτές, ο σπινθηριστής χωρίζεται σε πάρα πολλά μικρά ενεργά τμήματα. Οπτικές ίνες συλλέγουν το φως και το οδηγούν σε αισθητήρες. Η μέθοδος είναι ακριβής, όμως η κατασκευή και η ανάγνωση εκατομμυρίων εξαρτημάτων γίνεται ολοένα πιο δύσκολη και ακριβή όσο μεγαλώνει ο ανιχνευτής.
Μια κάμερα αντί για εκατομμύρια κομμάτια
Το PLATON ακολουθεί διαφορετική διαδρομή: χρησιμοποιεί έναν ενιαίο, μη χωρισμένο όγκο σπινθηριστή και ένα σύστημα κάμερας φωτεινού πεδίου. Μια σειρά μικροσκοπικών φακών μπροστά από τον αισθητήρα καταγράφει το ίδιο φως από ελαφρώς διαφορετικές γωνίες. Έτσι, το σύστημα δεν μετρά μόνο πόσο φως έφτασε σε αυτό, αλλά και από ποια κατεύθυνση ήρθε.
Ο αισθητήρας είναι τύπου SPAD, τεχνολογία αρκετά ευαίσθητη ώστε να καταγράφει μεμονωμένα φωτόνια. Μπορεί επίσης να λειτουργεί μέσα σε επιλεγμένα χρονικά «παράθυρα», περιορίζοντας τυχαία σήματα υποβάθρου. Ο συνδυασμός αυτών των στοιχείων επιτρέπει στην κάμερα να υπολογίζει την προέλευση του φωτός και να χαρτογραφεί την τροχιά του σωματιδίου σε 3D.
Δοκιμές με ελάχιστο φως
Στο εργαστήριο, η ομάδα εξέτασε τη χωρική ακρίβεια του συστήματος με επίπεδα φωτός από μερικές εκατοντάδες καταγεγραμμένα φωτόνια έως μόλις πέντε. Δοκίμασε ακόμη αν το πρωτότυπο μπορεί να εντοπίσει ηλεκτρόνια και να ανακατασκευάσει τη θέση τους μέσα σε πλαστικό σπινθηριστή, χρησιμοποιώντας πηγή στροντίου-90.
Οι μετρήσεις συμφώνησαν στενά με τις προσομοιώσεις των ερευνητών. Αυτό είναι σημαντικό, επειδή επιτρέπει στην ομάδα να χρησιμοποιεί τα μοντέλα της με μεγαλύτερη εμπιστοσύνη για τον σχεδιασμό μιας ισχυρότερης επόμενης έκδοσης.
Ακρίβεια χιλιοστού και βοήθεια από AI
Η αναβαθμισμένη εκδοχή σχεδιάζεται να δίνει σε κάθε φωτόνιο τη δική του ακριβή χρονική σήμανση, αντί να το τοποθετεί απλώς σε ένα χρονικό παράθυρο. Η πρόσθετη πληροφορία μπορεί να βελτιώσει τον υπολογισμό της προέλευσής του και, κατά συνέπεια, την ανακατασκευή της τροχιάς.
Οι προσομοιώσεις χρησιμοποίησαν επίσης νευρωνικό δίκτυο με αρχιτεκτονική Transformer, προσαρμοσμένη ώστε να αναζητά μοτίβα στη θέση και στον χρόνο άφιξης των φωτονίων. Για έναν μη χωρισμένο ανιχνευτή 10 επί 10 επί 10 εκατοστών, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι θα μπορούσε να επιτευχθεί χωρική ανάλυση καλύτερη από ένα χιλιοστό. Σε έναν πολύ μεγαλύτερο όγκο, ενός κυβικού μέτρου, οι προσομοιώσεις δείχνουν ακρίβεια λίγων χιλιοστών, συγκρίσιμη με σύγχρονους ανιχνευτές πλαστικού σπινθηριστή.
Από τα νετρίνα στις ιατρικές εξετάσεις
Η τεχνολογία θα μπορούσε να αποδειχθεί χρήσιμη σε πειράματα με νετρίνα, σωματίδια που αλληλεπιδρούν τόσο σπάνια με την ύλη ώστε είναι ιδιαίτερα δύσκολο να εντοπιστούν. Θα μπορούσε επίσης να βρει θέση σε θερμιδόμετρα επιταχυντών, όργανα που μετρούν την ενέργεια των σωματιδίων.
Οι ερευνητές βλέπουν και ιατρική εφαρμογή: έχουν ήδη καταθέσει τρεις πατέντες για τη χρήση της τεχνολογίας σε τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων, γνωστή ως PET. Αν η προσέγγιση εξελιχθεί όπως δείχνουν τα πρώτα αποτελέσματα, θα μπορούσε να συμβάλει σε πιο καθαρές απεικονίσεις, διατηρώντας ταυτόχρονα τους μεγάλους ανιχνευτές απλούστερους στην κατασκευή και την κλιμάκωση.