Физици създадоха принципно нова камера за лов на неутрино и тъмна материя

Международна група учени, ръководена от физици от Швейцария представи революционен метод за регистриране на елементарни частици. Вместо традиционните обемисти детектори, разделени на хиляди сегмента, изследователите използваха само една-единствена камера за светлинно поле, комбинирана с високочувствителен фотонен сензор. Детекторът се отличава с простота и ниска цена, което може да ускори откриването на такива неуловими частици като неутрино и тъмна материя.

Съвременните детектори за регистриране на следи от разпадане на неутрино на елементарни частици представляват огромни обеми свръхчиста течност, пронизана като с мъниста от фотодетектори (фотоумножители). Самите неутрино не могат да бъдат регистрирани директно поради своите свойства – липса на заряд и свръхмалка маса. Такива обеми могат да бъдат създадени изкуствено, а могат да бъдат и естествени, както в случая с неутринните обсерватории във водите на Байкал, в ледовете на Антарктика или на дъното на Средиземно море. Всички тези инсталации имат една обща характеристика – разделяне на обемите на сектори, което води до използването на десетки хиляди датчици.

Детекторите за неутрино и други частици със слабо взаимодействие, например частици с ниска енергия, предназначени за експерименти в лаборатории и научни центрове, могат да бъдат по-компактни. Въпреки това, те все пак имат секторна структура, в която се използва оптична влакна, често включваща десетки хиляди оптични канала и детектори. Такава плътност в относително малки обеми позволява улавянето на траекториите на субатомните частици с точност до милиметри за относително кратки периоди от време.

Учените от Швейцарският федерален технологичен институт в Цюрих (ETH Zurich) и Швейцарската висша техническа школа в Лозана (EPFL) създадоха датчик, който не изисква сегментиране на работния обем на сцинтилационния материал, в който възникват следите от разпада на неутриното, предизвиквайки в крайна сметка регистрируемо възбуждане на фотони в материала.

Сензорът е получил името PLATON. Специална камера в такъв сензор замества хиляди сензори при същата и дори по-голяма разделителна способност – това може значително да ускори напредъка на учените в изучаването на слабо взаимодействащите частици.

Камерата PLATON използва матрица от микролещи, която регистрира не само интензивността, но и посоката на светлината, възникваща при преминаването на заредени частици през обема на сцинтилатора. Преди няколко години това беше изключително популярна тема. По същество това е камера за светлинно поле. На този принцип бяха изградени холографските дисплеи и дори шлемовете за виртуална реалност. В комбинация със сензори, способни да регистрират единични фотони с наносекундна точност, камерата PLATON позволява възстановяване на триизмерната траектория на частиците без физическа сегментация на детектора – в монолитен обем на сцинтилатора. Успешните изпитания на източник на стронций-90, излъчващ електрони, потвърдиха ефективността на метода.

Моделирането показва, че при обем на сцинтилатора 10 × 10 × 10 см, системата ще достигне разделителна способност на траекторията на частиците по-малко от 1 мм. При мащабиране до един кубичен метър (ключов размер за неутринни експерименти) разделителната способност ще остане на ниво от няколко милиметра, което съответства на най-добрите световни аналози, но при несравнимо по-малка сложност при изработката на системата. Ключова роля в обработката на изображенията изигра невронна мрежа на базата на архитектурата Transformer, която ефективно отделяше полезните сигнали от „шума“ на сцинтилационните фотони.

Нещо повече, новият подход вече излиза извън рамките на фундаменталната наука. Авторите на разработката са подали три патента за използването на технологията PLATON в позитронно-емисионната томография (ПЕТ). Екипът очаква, че по-нататъшната работа по дизайна на детектора ще отвори пътя към субмилиметрова разделителна способност за сензори с обем над един кубичен метър – както за търсене на тъмна материя, така и за медицинска диагностика от ново поколение.