Fizycy opracowali zupełnie nową kamerę do wykrywania neutrino i ciemnej materii

Nowy sposób rejestracji cząstek elementarnych: od masywnych detektorów do jednej kamery

Międzynarodowa grupa naukowców pod kierownictwem szwajcarskich fizyków zaprezentowała rewolucyjny metod wykrywania neutrino i ciemnej materii. Zamiast tradycyjnych, wielkich systemów podzielonych na tysiące segmentów, wykorzystali jedną kamerę pola świetlnego w połączeniu z wysoce czułym detektorem fotonowym. Takie podejście sprawia, że detektor jest prosty i ekonomiczny, co może przyspieszyć poszukiwanie najbardziej nieuchwytnych cząstek.

Tradycyjne detektory neutrino
Współczesne instalacje do rejestracji śladów rozpadu neutrino to ogromne objętości superczystej cieczy, prześwietlone fotodetektorami (fotomultiplikatorami). Neutrino nie oddziałuje bezpośrednio z materią ze względu na brak ładunku i małą masę, dlatego ich „ślady” są widoczne tylko po rozpadu atomów w cieczy. Takie detektory mogą być sztuczne (np. w dużych zbiornikach) lub naturalne – jak w Bajkale, Antarktyce czy na dnie Morza Śródziemnego. W obu przypadkach objętość dzieli się na sektory, co prowadzi do użycia dziesiątek tysięcy czujników.

Kompaktowe rozwiązania i ich ograniczenia
Do eksperymentów laboratoryjnych można używać bardziej kompaktowych detektorów, ale nadal zachowują one strukturę sektorową oraz sieć włókien optycznych z dziesiątkami tysięcy kanałów. Taka gęstość pozwala rejestrować trajektorie cząstek subatomowych z dokładnością do setek milimetrów w krótkim czasie. Neutrino uderza w atom, rozbijając go na mniejsze części; ślady tych rozpadu odtwarzają „winowajcę” zdarzenia.

Nowa technologia PLATON
Naukowcy z ETH Zurich i EPFL opracowali czujnik PLATON, który nie wymaga segmentacji materiału scyntylacyjnego. W całej jednej objętości tworzą się ślady rozpadu neutrino, które następnie rejestrowane są fotonami. Jedna kamera zastępuje tysiące sensorów, zachowując a nawet zwiększając zdolność rozdzielczości.

Kamera PLATON wykorzystuje matrycę mikrolent, która rejestruje nie tylko intensywność światła, ale i jego kierunek. Pozwala to odtworzyć trójwymiarową trajektorię cząstki bez fizycznej segmentacji detektora. Testy na źródle strontu‑90 (elektrony) potwierdziły skuteczność metody.

Rozdzielczość i skalowanie
Modelowanie pokazuje, że dla scyntylatora o wymiarach 10 × 10 × 10 cm system osiąga rozdzielczość śladu poniżej 1 mm. Przy zwiększeniu do jednego metra sześciennego (standardowy rozmiar eksperymentów neutrino) dokładność pozostaje w granicach kilku milimetrów – porównywalna z najlepszymi światowymi analogami, ale przy znacznie mniejszej złożoności montażu.

Kluczową rolę w przetwarzaniu obrazów odgrywa sieć neuronowa oparta na architekturze Transformer, która skutecznie wyodrębnia użyteczne sygnały z „szumu” fotonów scyntylacyjnych.

Perspektywy zastosowania
Rozwijający się zespół już zgłosił trzy patenty na wykorzystanie technologii PLATON w tomografii emisyjnej pozytonowej (PET). Zespół oczekuje, że dalsze ulepszenia projektu pozwolą osiągnąć submilimetrową rozdzielczość dla detektorów o objętości większej niż jeden metr sześcienny – otwierając nowe możliwości zarówno w poszukiwaniu ciemnej materii, jak i w zastosowaniach medycznych.