Иллюстрация первого прототипа новой монолитной детекторной системы, способной выполнять сверхбыструю трехмерную визуализацию частиц с высоким уровнем развития в больших объемах несегментированного сцинтилляционного материала. Фото: ETH Zurich/Sgalaberna Group.
В современной физике элементарных частиц многие значимые достижения рождаются не из кардинально новых идей или изобретений, а из неожиданного синтеза уже существующих технологий, который позволяет создать нечто гораздо более мощное, чем отдельные компоненты по отдельности. Эта стратегия, как показывают последние разработки, оказывается особенно ценной в области поиска слабо взаимодействующих частиц, таких как нейтрино и некоторые кандидаты в темную материю. Эти сущности, как известно, с большим трудом поддаются достоверной регистрации, поскольку они крайне редко вступают во взаимодействие с обычными материалами. Традиционные подходы к их обнаружению, предполагающие увеличение размеров детекторов и улучшение пространственного разрешения, позволяют продлить время наблюдения за слабыми сигналами, однако неизбежно делают инструменты более сложными и дорогостоящими.
Аналогичные требования, связанные с необходимостью регистрировать и измерять энергию, переносимую частицами, предъявляются к калориметрам — устройствам, активно используемым в экспериментах на коллайдерах. В основе большинства экспериментов по физике частиц лежит задача восстановления трехмерных (3D) траекторий элементарных частиц, когда они движутся через большие объемы плотного материала. Одним из ключевых типов детекторов здесь выступает сцинтиллятор: когда заряженная частица проходит сквозь него, материал испускает крошечные вспышки видимого света. Ученые анализируют этот свет, чтобы определить, куда именно путешествовала частица и как она взаимодействовала с детектором.
Почему обнаружение частиц требует столь сложных устройств
Для точного определения местоположения частиц сцинтиллятор, как правило, разделяют на огромное количество малых активных секций. Оптические волокна собирают фотоны, образующиеся в каждой из этих секций, и передают свет фотоумножителям или кремниевым фотоумножителям, которые и подсчитывают количество фотонов. Этот подход, хотя и может быть весьма эффективным, сталкивается с серьезными трудностями при масштабировании. Например, в японском эксперименте по осцилляции нейтрино T2K используется детектор с примерно двумя тоннами чувствительного материала, состоящего из около двух миллионов кубов и 60 000 волокон. В свою очередь, эксперименты LHCb в ЦЕРН и Mu3e в Институте Пола Шеррера достигают субмиллиметрового пространственного разрешения, применяя миллионы тонких сцинтилляционных оптических волокон. Эти системы наглядно демонстрируют возможности сегментированных детекторов, но одновременно выявляют нарастающую проблему: по мере увеличения размеров детекторов производство, сборка и считывание миллионов отдельных компонентов превращаются в технологически сложные и дорогостоящие процессы.
Радикально новый подход к отслеживанию частиц
Исследователи из ETH Zurich и EPFL предложили совершенно иной поворот в решении этой задачи. Аспирант Тилль Димингер, старший научный сотрудник Сауль Алонсо-Монсальве, профессор Давиде Сгалаберна и их коллеги из группы, совместно с членами Лаборатории передовой квантовой структуры EPFL в Лозанне под руководством профессора Эдоардо Шарбона, разработали и протестировали первый прототип детектора, предназначенного для сверхбыстрой трехмерной визуализации частиц с высоким уровнем развития внутри большого несегментированного блока сцинтилляционного материала. Вместо того чтобы разделять детектор на миллионы микроскопических частей, система использует переднюю переменную камеру для восстановления источника света. Демонстрация этого прототипа и обширная серия симуляций были недавно описаны в журнале Nature Communications.
Превращение фотографий светового поля в физический инструмент
Созданный детектор базируется на принципах пленоптических камер, также известных как камеры светового поля. В отличие от обычной камеры, которая в основном фиксирует интенсивность падающего света, камера светового поля дополнительно сохраняет информацию о направлении, откуда пришел свет. Эта особенность позволяет восстановить трехмерную сцену и реконструировать объем в трех измерениях. В основе технологии лежит массив микролинз (MLA), расположенный между основным объективом камеры и датчиком изображения. Каждая микроскопическая линза действует как миниатюрная камера, записывая одну и ту же сцену, но под другим углом. Когда информация от всех этих линз обрабатывается, система способна восстановить полное световое поле, которое характеризует как положение, так и направление падающего света. Эта возможность оказывается особенно полезной для обнаружения частиц, поскольку позволяет точно отслеживать их траектории в реальном времени без необходимости в сложной сегментации детектора.
льку свет внутри сцинтиллятора может быть очень слабым.
Когда пленоптические камеры соединяются с матричными датчиками однофотонных лавинных диодов (SPAD), они могут находить специальные фотоны и надежно реконструировать отслеживаемые частицы даже при очень малом количестве света. Несмотря на это обещание, световое поле камеры ранее не использовалось для идентификации частиц.
Внутри прототипа PLATON
Новая система была разработана в рамках проекта PLATON, который финансируется Швейцарским традиционным традиционным фондом.
Команда ETHZ-EPFL создала детектор для проверки принципов, который сочетает в себе матрицу микролинз с датчиком изображения SPAD. Датчик, известный как SwissSPAD2, был разработан командой EPFL. Компания Raytrix GmbH разработала MLA и установила его непосредственно на датчике, чтобы создать систему полной пленоптической визуализации.
SwissSPAD2 также обеспечивает обнаружение стробируемых фотонов. Это означает, что датчик регистрирует фотоны только в течение определенных временных окон.
Такой контроль времени помогает исследователям сосредоточиться на периодах, когда наиболее вероятно присутствие настоящего сцинтилляционного света, одновременно отфильтровывая случайные фоновые сигналы и другие паразитные сигналы.
Тестирование детектора с несколькими фотонов
Исследователи проверили пространственное разрешение PLATON в лабораторных экспериментах, используя уровни ограничения в зависимости от нескольких сотен обнаруженных фотонов всего лишь до пяти.
Они также высоко оценили возможность найти прототип электронов и обеспечить их состояние внутри блока пластикового сцинтиллятора. Электроны созданы с использованием источника стронция-90.
В различных условиях испытания моделирования точно отображают лабораторные измерения, что дает исследователям уверенность в том, что их модели точно определяют работу детектора.
Результаты первого демонстратора уже сформировали планы команды на этой версии PLATON.
Более быстрая синхронизация и повышенная чувствительность
Исследователи разрабатывают новый матричный датчик SPAD, предназначенный для повышения эффективности обнаружения фотонов и обеспечения субнаносекундной синхронизации нижних фотонов.
В нынешней системе фотонам устанавливаются фиксированные временные окна. В обнаруженной обновленной версии каждый фотон получает свою точную отметку времени.
Эта дополнительная информация о времени может помочь системе более точно определить, откуда пришел каждый фотон, и улучшить отслеживание частиц.
Исследователи также оптимизировали пленоптическую камеру, чтобы увеличить ее поле обзора и собрать больше света. Моделирование, представленное в статье, предполагает, что эти изменения должны еще больше улучшить пространственное разрешение ПЛАТОН.
ИИ реконструирует скрытые взаимодействия частиц
Команда также использовала моделирование, чтобы оценить, насколько современная система PLATON может работать при обнаружении нейтрино.
В моделировании использовался новый метод обработки изображений, основанный на нейронной сети (НС). В системе используется архитектура Transformer, адаптированная по типу, обычно используемому в моделях больших языков.
Однако вместо анализа слов этот Трансформатор исследует закономерности среди сцинтилляционных фотонов, зарегистрированных детектором. Он предназначен для определения корреляций в том, где и когда физические фотоны, что позволяет ему восстановить исходное взаимодействие частиц.
Моделирование показывает, что несегментированный детектор ПЛАТОН изображения (10x10x10) см3 реально может ограничить пространственное разрешение ниже 1 мм.
Они также предполагают, что система может распознавать нейтринные взаимодействия, которые производят протоны с низким импульсом в неизменном состоянии как с высокой чистотой, так и с высокой эффективностью. Другими словами, детектор может выбирать нужные события, отклоняя при этом множество несвязанных сигналов.
Масштабирование до кубического метра
Исследователи также обнаружили, что эта технология может работать в гораздо более крупных детекторах.
Из-за ограниченности вычислительных ресурсов они не провели полное моделирование нейтрино для блока несегментированного сцинтиллятора с измерением в один кубический метр. Вместо этого они смоделировали упрощенный точечный источник фотонов.
Моделирование показывает, что детектор такого размера может ограничивать пространственное разрешение в несколько миллиметров, что ставит его в один ряд с современными пластиковыми сцинтилляционными детекторами.
Результат особенно примечателен, поскольку PLATON смог достичь такой производительности, не разделяя сцинтиллятор на миллионы отдельных частей.
Авторы полагают, что дополнительные усовершенствования оптических конструкций и других частей системы могут в конечном итоге обеспечить субмиллиметровое разрешение в детекторах типа ПЛАТОН с объемами более 1 м3.
Возможное использование для подключения физических элементарных частиц
Исследователи ETH Zurich полагают, что эта технология в конечном итоге может оказаться полезной далеко не для разделения нейтринных экспериментов и коллайдеров частиц.
поскольку ПЛАТОН предназначен для восстановления слабых световых сигналов в трех измерениях, он может улучшить широкий спектр системной визуализации.
Димингер, Алонсо-Монсальве и Сгалаберна уже подарили три отдельных патента, основанных на использовании технологии PLATON в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). ПЭТ — это метод медицинской визуализации, который отслеживает радиоактивные индикаторы внутри тела для определения активности тела в органах и тканях.
Патенты охватывают как световой сканер, так и методы обработки изображений, включая NN, разработанную Алонсо-Монсальве.
Физика элементарных частиц имеет долгую историю создания технологий, которые впоследствии находят более широкое применение. Всемирная паутина была создана в ЦЕРНе, протонная терапия возникла благодаря достижениям в области ускорителей частиц и радиационной физики.
ПЛАТОН может стать еще одним новым гибридным экспериментом, который приведет к созданию технологий, устойчивому научному и медицинскому применению.