Algunos avances en física provienen de descubrimientos completamente nuevos. Otros comienzan con una nueva teoría. Pero muchos avances se producen cuando los investigadores combinan tecnologías conocidas de formas inesperadas y crean algo más poderoso que las partes individuales.
Esta técnica puede ser particularmente valiosa en la búsqueda de partículas que interactúan débilmente, incluidos neutrinos y ciertos candidatos a materia oscura. Estas partículas son muy difíciles de detectar porque rara vez interactúan con la materia ordinaria. Construir detectores más grandes y mejorar su resolución espacial puede aumentar la probabilidad de observar las débiles señales que producen, pero esto a menudo hace que los instrumentos sean más complejos y costosos.
Se aplican exigencias similares a los calorímetros, dispositivos utilizados en experimentos con colisionadores para medir la energía transportada por las partículas.
¿Por qué son tan complicados los detectores de partículas?
La mayoría de los experimentos de física de partículas requieren reconstruir las trayectorias tridimensionales (3D) de las partículas elementales a medida que se mueven a través de material densamente empaquetado.
Un elemento detector común es un centelleador. Cuando una partícula cargada pasa a través de un centelleador, el material emite pequeños destellos de luz visible. Los científicos utilizan esos destellos para determinar dónde viajó la partícula y cómo interactuó con el detector.
Para localizar la partícula, el centelleador suele dividirse en muchas secciones activas pequeñas. La fibra óptica recoge los fotones producidos en cada tramo y dirige la luz a un tubo fotomultiplicador o fotomultiplicador de silicio, que cuenta los fotones.
Este método puede ser muy preciso, pero resulta difícil de escalar.
El experimento de oscilación de neutrinos T2K en Japón, por ejemplo, utiliza un detector con aproximadamente dos toneladas de material sensible hecho de aproximadamente dos millones de cubos y 60.000 fibras. En el CERN y el Instituto Paul Scherrer, los experimentos LHCb y Mu3e alcanzan una resolución espacial submilimétrica utilizando millones de finas fibras ópticas centelleantes.
Estos sistemas demuestran lo que pueden hacer los detectores segmentados, pero también revelan un problema creciente. A medida que los detectores crecen, fabricar, ensamblar y leer millones de componentes individuales puede convertirse en un importante obstáculo técnico y financiero.
El seguimiento de partículas es un enfoque fundamentalmente nuevo
Investigadores de ETH Zurich y EPFL proponen ahora una estrategia muy diferente.
Estudiante de doctorado Till Dieminger, científico senior. Saúl Alonso-Monsalve, el Prof. David Sgalabarna y sus colegas de su grupo, junto con miembros del Laboratorio de Arquitectura Cuántica Avanzada de la EPFL dirigido por el Prof. Edoardo Charbon, han diseñado y probado por primera vez la detección. Imágenes de partículas en 3D de alta resolución dentro de un gran bloque no segmentado de material centelleador.
En lugar de dividir el detector en millones de unidades diminutas, el sistema utiliza tecnología de cámara avanzada para reconstruir dónde se originó la luz.
Recientemente se ha descrito una extensa serie de demostraciones y simulaciones de prototipos. comunicación de la naturaleza.
Convertir la fotografía de campos de luz en una herramienta de física
El detector se inspira en las cámaras plenópticas, también conocidas como cámaras de campo luminoso.
A diferencia de una cámara normal, que registra principalmente la intensidad de la luz entrante, una cámara de campo luminoso también capta información sobre la dirección de donde procede la luz. Esto le permite recuperar profundidad y reconstruir una escena en tres dimensiones.
La tecnología se basa en un conjunto de microlentes (MLA) colocado entre la lente principal de la cámara y el sensor de imágenes. Cada lente microscópica actúa como una pequeña cámara, grabando la misma escena desde un ángulo ligeramente diferente. Cuando se combina toda esta información de la lente, el sistema puede reconstruir un campo de luz que describe la intensidad, ubicación y dirección de la luz entrante.
Para la detección de partículas, esta capacidad es particularmente útil porque la luz dentro de un centelleador puede ser extremadamente débil.
Cuando las cámaras plenópticas se combinan con sensores de matriz de diodos de avalancha de fotón único (SPAD), pueden detectar fotones individuales y potencialmente reconstruir pistas de partículas incluso cuando hay muy poca luz disponible. A pesar de esa promesa, las cámaras de campo luminoso no se han explorado previamente para el seguimiento de partículas.
Dentro del prototipo de Platon
El nuevo sistema fue desarrollado a través del proyecto PLATON, financiado por la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia.
El equipo de ETHZ-EPFL desarrolló un detector de prueba de concepto que combina una matriz de microlentes con un sensor de imágenes SPAD. El sensor, conocido como SwissSPAD2, fue desarrollado por el equipo de EPFL. Raytrix GmbH diseñó el MLA y lo montó directamente en el sensor para crear un sistema completo de imágenes plenópticas.
SwissSPAD2 también proporciona detección de fotones controlados. Esto significa que el sensor solo registra fotones dentro de un período de tiempo definido.
Este control de tiempo ayuda a los investigadores a centrarse en los períodos en los que es más probable que aparezca luz de centelleo verdadera mientras filtra señales de fondo aleatorias y otros recuentos espurios.
Probando el detector con sólo unos pocos fotones
Los investigadores probaron la resolución espacial de Platon en experimentos de laboratorio utilizando niveles de luz que iban desde cientos de fotones detectados hasta solo cinco.
Evaluaron si el prototipo podía detectar electrones y reconstruir su posición dentro de un bloque de centelleo de plástico. Los electrones se produjeron utilizando una fuente de estroncio-90.
En una variedad de condiciones de prueba, las simulaciones coincidieron estrechamente con las mediciones de laboratorio, lo que dio a los investigadores la confianza de que sus modelos describían con precisión el rendimiento del detector.
Los resultados del primer demostrador ya han dado forma a los planes del equipo para la próxima versión de PLATON.
Tiempo más rápido y mayor sensibilidad
Los investigadores están desarrollando un nuevo sensor de matriz SPAD diseñado para mejorar la eficiencia de la detección de fotones y proporcionar una sincronización inferior a nanosegundos para fotones individuales.
En los sistemas actuales, los fotones se asignan a ventanas de tiempo específicas. En la versión mejorada, cada fotón detectado tendrá su propia marca de tiempo precisa.
Esta información de sincronización adicional puede ayudar al sistema a determinar con mayor precisión de dónde proviene cada fotón y mejorar la reconstrucción de las pistas de partículas.
Los investigadores optimizaron la cámara plenóptica para ampliar su campo de visión y captar más luz. Las simulaciones presentadas en el artículo sugieren que estos cambios mejorarán aún más la resolución espacial de Platon.
La IA reconstruye interacciones de partículas ocultas
El equipo también utilizó simulaciones para estimar cómo podría funcionar un sistema Platon mejorado al detectar neutrinos.
Las simulaciones incluyeron un nuevo método de procesamiento de imágenes basado en una red neuronal (NN). El sistema utiliza una arquitectura transformadora comúnmente utilizada en modelos de lenguaje grandes.
En lugar de analizar sonidos, este transformador examina patrones en los fotones de centelleo registrados por el detector. Está diseñado para detectar correlaciones entre dónde y cuándo aparecen los fotones, lo que permite la reconstrucción de interacciones clave entre partículas.
Las simulaciones indican que un detector Platon sin segmentos con (10x10x10) cm vol3 Puede lograr de manera realista una resolución espacial inferior a 1 mm.
También sugieren que el sistema puede detectar interacciones de neutrinos que producen protones de bajo momento en estado final con alta pureza y alta eficiencia. En otras palabras, el detector puede seleccionar los eventos deseados y al mismo tiempo rechazar muchas señales no relacionadas.
Escalando hasta un metro cúbico
Los investigadores también consideraron cómo podría funcionar la tecnología en detectores más grandes.
Debido a los recursos informáticos limitados, no pudieron ejecutar simulaciones completas de neutrinos para un bloque de centelleadores indivisos de un metro cúbico. En cambio, modelaron una fuente puntual simplificada de fotones.
Las simulaciones sugieren que un detector de este tamaño podría alcanzar una resolución espacial de unos pocos milímetros, colocándolo a la par de los detectores de centelleo de plástico de última generación.
El resultado es particularmente notable porque Platon logra este desempeño sin dividir el centelleador en millones de partes individuales.
Los autores creen que mejoras adicionales en el diseño óptico y otras partes del sistema pueden eventualmente hacer posible una resolución submilimétrica en detectores tipo Platon con volúmenes superiores a 1 m.3.
Usos potenciales más allá de la física de partículas
Los investigadores de ETH Zurich creen que la tecnología podría resultar útil más allá de los experimentos con neutrinos y las colisiones de partículas.
Debido a que PLATON está diseñado para reconstruir la posición de señales de luz tenue en tres dimensiones, puede mejorar una amplia gama de sistemas de imágenes.
Dieminger, Alonso-Monsalve y Sgalaberna ya han presentado tres patentes distintas que implican el uso de la tecnología Platon en tomografía por emisión de positrones (PET). La PET es un procedimiento de imágenes médicas que rastrea trazadores radiactivos dentro del cuerpo para revelar la actividad en órganos y tejidos.
La patente cubre tanto el diseño de escáneres como las técnicas de procesamiento de imágenes, incluida la NN desarrollada por Alonso-Monsalve.
La física de partículas tiene una larga historia de desarrollo de tecnologías que luego encontraron un uso más amplio. La World Wide Web se creó en el CERN, mientras que la terapia de protones surgió de los avances en los aceleradores de partículas y la física de la radiación.
Platón puede convertirse en otro ejemplo de experimento de física que conduzca a una tecnología con importantes aplicaciones científicas y médicas.
