Fyzikové vyvinuli zcela novou kameru pro detekci neutrónů a temné hmoty

Nový způsob registrace elementárních částic: od těžkých detektorů k jedné kamerě

Mezinárodní skupina vědců pod vedením švýcarských fyziků představila revoluční metodu zjišťování neutrín a temné hmoty. Místo obvyklých masivních systémů rozdělených na tisíce segmentů použili jedinou kameru světelného pole ve spojení s vysoce citlivým fotonovým detektorem. Tento přístup činí detektor jednoduchý a ekonomický, což může urychlit hledání nejneviditelnějších částic.

Tradiční neutrínové detektory
Současné zařízení pro registraci stop rozpadu neutrína jsou obrovské objemy superčisté kapaliny pronikající fotodetektory (fotounmultiplikátory). Neutríny neinteragují přímo s materiálem kvůli absenci náboje a malé hmotnosti, proto jejich „stopy“ jsou viditelné pouze po rozpadu atomů v kapalině. Takové detektory mohou být umělá (např. ve velkých rezervoářích) nebo přírodní – jako v Bajkalu, Antarktidě nebo na dně Středozemního moře. V obou případech je objem rozdělen na sektory, což vede k použití desítek tisíc senzorů.

Kompaktní řešení a jejich omezení
Pro laboratorní experimenty lze použít kompaktnější detektory, ale stále zachovávají sektorovou strukturu a optickou síť z desítek tisíc kanálů. Taková hustota umožňuje zaznamenávat trajektorie subatomárních částic s přesností na stovky milimetrů během krátké doby. Neutrín se setká s atomem, rozbije jej na menší částice; stopy těchto zlomenin rekonstruují „příčinu“ události.

Nová technologie PLATON
Vědci z ETH Zürich a EPFL vyvinuli senzor PLATON, který nevyžaduje segmentaci scintilačního materiálu. V celém jediném objemu se vytvářejí stopy rozpadu neutrína, které jsou následně zaznamenávány fotony. Jedna kamera nahrazuje tisíce senzorů a zachovává – dokonce zvyšuje – rozlišovací schopnost.

Kamera PLATON využívá mřížku mikroobjektivů, která zachycuje nejen intenzitu světla, ale i jeho směr. To umožňuje rekonstruovat trojrozměrnou trajektorii částice bez fyzické segmentace detektoru. Testy na zdroji strontium‑90 (elektrony) potvrdily účinnost metody.

Rozlišení a škálování
Modelování ukazuje, že pro scintilační materiál o rozměrech 10 × 10 × 10 cm dosahuje systém rozlišení stop pod 1 mm. Při zvětšení na jeden kubický metr (standardní velikost neutrínových experimentů) zůstává přesnost v mezích několika milimetrů – srovnatelná s nejlepšími globálními analogiemi, ale při výrazně nižší složitosti montáže.

Klíčovou roli při zpracování obrazů hraje neuronová síť založená na architektuře Transformer, která efektivně odděluje užitečné signály od „šumu“ scintilačních fotonů.

Perspektivy využití
Vývojáři již podali tři patenty na použití technologie PLATON v pozitronové emisní tomografii (PET). Tým očekává, že další zlepšení designu umožní dosáhnout submilimetrického rozlišení pro detektory o objemu nad jeden kubický metr – otevírající nové možnosti jak ve vyhledávání temné hmoty, tak v lékařských aplikacích.