Přelom v detekci částic: Nová 3D kamera zachytila neutrina s milimetrovou přesností

Vědci z ETH Curych a EPFL vyvinuli a otestovali první prototyp nového detektoru elementárních částic, který slibuje zásadní změnu v oblasti částicové fyziky.

Vědci z ETH Curych a EPFL vyvinuli a otestovali první prototyp nového detektoru elementárních částic, který slibuje zásadní změnu v oblasti částicové fyziky. Jejich inovativní systém, známý jako projekt PLATON, využívá plenoptickou (světelné pole) kameru v kombinaci se senzorem SPAD (Single-Photon Avalanche Diode) k ultra rychlému, trojrozměrnému (3D) a vysoce rozlišovacímu zobrazování částic ve velkých objemech neděleného scintilačního materiálu.

Současné detektory, například ty používané v experimentech T2K v Japonsku nebo LHCb a Mu3e v CERNu, se spoléhají na jemné dělení scintilačního materiálu na mnoho menších aktivních jednotek. Tento přístup, ač účinný, se stává úzkým hrdlem při potřebě větších objemů detektorů kvůli složitosti a ekonomickým nákladům – některé detektory obsahují miliony kostek a desítky tisíc optických vláken. Nový přístup týmu z ETH Curych a EPFL radikálně mění způsob detekce elementárních částic tím, že umožňuje detailní sledování v neděleném materiálu.

Plenoptické kamery, známé z fotografie, zaznamenávají nejen intenzitu světla, ale také informaci o hloubce díky mikro-čočkové soustavě (MLA). V kombinaci se senzory SPAD, které dokáží detekovat jednotlivé fotony a přidávat časové razítko (gated photon detection), je možné dosáhnout vysokého rozlišení 3D sledování částic i v podmínkách nedostatku světla. Prototyp PLATON, vybavený senzorem SwissSPAD2 vyvinutým EPFL a MLA od Raytrix GmbH, byl úspěšně testován v laboratoři. Simulace potvrdily dobrou shodu s naměřenými daty, a to i při detekci elektronů z izotopu stroncia-90.

Tým již pracuje na vylepšené verzi systému, která zahrnuje nový SPAD senzor s vyšší účinností detekce fotonů a sub-nanosekundovým časovým rozlišením. Optimalizován byl také design plenoptické kamery pro maximalizaci zorného pole a sběru světla. Simulace předpovídají, že vylepšený systém PLATON dosáhne prostorového rozlišení pod 1 mm pro nedělený objem 10x10x10 cm³ a umožní vysoce čistou a účinnou selekci interakcí neutrin s nízkoenergetickými protony. Pro objem jednoho kubického metru se očekává rozlišení několika milimetrů, což je srovnatelné se současnými špičkovými detektory.

Potenciál této nové technologie přesahuje částicovou fyziku. Vědci již podali tři patenty na využití PLATONu v pozitronové emisní tomografii (PET), což podtrhuje široké uplatnění systému v různých zobrazovacích aplikacích. Tento projekt tak navazuje na dlouhou tradici přenosu technologií z částicové fyziky, od World Wide Webu po protonovou terapii, a má potenciál stát se dalším úspěšným příběhem.