Международная группа исследователей под руководством швейцарских физиков представила инновационный метод регистрации элементарных частиц. Ученые разработали устройство, которое заменяет громоздкие многосегментные детекторы одной камерой светового поля в сочетании с высокочувствительным фотонным сенсором. Новый подход значительно упрощает конструкцию оборудования для поиска таких трудноуловимых объектов, как нейтрино и частицы тёмной материи.
Традиционные установки для регистрации нейтрино представляют собой колоссальные объемы сверхчистой жидкости, оснащенные тысячами фотоумножителей. Поскольку нейтрино не имеют электрического заряда и обладают ничтожной массой, их невозможно зафиксировать напрямую. Детекторы полагаются на регистрацию следов распада, возникающих при столкновении нейтрино с атомами вещества. Подобные масштабные системы, зачастую размещенные в глубоководных обсерваториях или антарктических льдах, требуют сложной сегментации рабочего пространства.
В лабораторных условиях детекторы обычно компактнее, но все еще зависят от сложной волоконной оптики. Десятки тысяч каналов передачи данных позволяют восстанавливать траектории частиц с субмиллиметровой точностью, однако создание таких систем является трудоемким и дорогостоящим процессом.
Исследователи из ETH Zurich и EPFL предложили альтернативу — датчик PLATON. Он не требует дробления сцинтилляционного материала на сектора, сохраняя при этом высокую разрешающую способность. Одна специализированная камера заменяет тысячи традиционных датчиков, что может стать важным этапом в изучении фундаментальной физики.
Технология PLATON базируется на принципах камер светового поля, которые ранее применялись в VR-гарнитурах и голографических дисплеях. Устройство использует массив микролинз, фиксирующий как интенсивность, так и направление фотонов, испускаемых при прохождении заряженной частицы через сцинтиллятор. В связке с сенсорами, способными улавливать единичные фотоны с наносекундной точностью, система восстанавливает трехмерную траекторию частицы внутри монолитного объема. Эффективность метода уже была доказана в ходе экспериментов с использованием источника стронция-90.
Результаты моделирования показывают впечатляющие перспективы: при объеме сцинтиллятора 10 × 10 × 10 см система достигает разрешения трека менее 1 мм. При масштабировании до одного кубического метра (стандарт для нейтринных экспериментов) точность сохраняется на уровне нескольких миллиметров. Это соответствует лучшим мировым показателям при радикальном снижении сложности сборки. Обработкой данных и выделением полезного сигнала из шума занимается нейросеть на базе архитектуры Transformer.
Перспективы технологии выходят далеко за пределы фундаментальной науки. Команда разработчиков уже подала три патента на применение PLATON в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). В будущем ученые планируют добиться субмиллиметрового разрешения для детекторов объемом свыше одного кубометра, что откроет новые возможности как для астрофизики, так и для передовой медицинской диагностики.
