Al centro di molti misteri irrisolti della fisica ci sono minuscole particelle che interagiscono debolmente e che richiedono metodi di rilevamento pesanti. Ciò li rende difficili da visualizzare, quindi gli scienziati trovano modi indiretti per tracciare il movimento delle particelle, in genere utilizzando macchine giganti e costose che richiedono tempo per elaborare i dati. Ma una proposta, un prototipo più piccolo, simile a una macchina fotografica, mira a risolvere questi problemi.
In un recente Comunicazioni sulla natura studio, i ricercatori dell’ETH di Zurigo e dell’EPFL in Svizzera riportano i risultati del primo prototipo di un rilevatore di particelle alternativo che “consente l’imaging tridimensionale ultraveloce advert alta risoluzione”, secondo l’articolo. Il dimostratore, chiamato PLATON, è un sistema di rilevamento monolitico composto da un blocco scintillatore e una fotocamera 3D. La configurazione è semplice, ma una combinazione di software program originale e reti neurali aiuta a migliorare la risoluzione dell’immagine 3D.
“Il risultato è una semplificazione della costruzione di un rilevatore di particelle e, forse sorprendentemente, l’eccellente risoluzione spaziale 3D che può essere raggiunta [with the simple setup]”,” Davide Sgalabernaun fisico dell’ETH di Zurigo e del CERN, ha detto a Gizmodo in una e-mail. “Il nostro dimostratore apre la strada a un approccio completamente nuovo per rilevare i neutrini e, più in generale, le particelle elementari”.
I neutrini sono particelle prive di carica e quasi prive di massa che esistono in estrema abbondanza nell’universo. Soprannominate “particelle fantasma”, sono importanti perché, nonostante la loro abbondanza, sono così difficili da rilevare che i fisici non sanno molto con certezza su di loro.
In pratica, la prima applicazione di PLATON sarà come scanner completo per scopi medici. Tuttavia, è facilmente scalabile, quindi alla high-quality dovrebbe rivelarsi utile nella fisica delle particelle, ha spiegato il crew in a dichiarazione.
Sulle tracce del quasi invisibile
Scintillatori sono materiali che convertono le radiazioni advert alta energia, come i raggi X o i raggi gamma, in luce visibile o quasi visibile. Nella fisica delle particelle, materiali scintillanti in un rilevatore convertire radiazione proveniente da minuscole particelle advert alta energia in segnali luminosi. Questi “calorimetri” fermano le particelle e misurano la loro perdita di energia, fornendo ai ricercatori le informazioni di cui hanno bisogno per analizzare il loro comportamento, secondo CERN.
“Di solito, per tracciare in 3D questa moltitudine di particelle nello scintillatore, è necessario segmentare lo scintillatore in molti piccoli voxel (advert esempio, cubi da 1 cm³) tra numerous migliaia e milioni”, ha spiegato Sgalaberna. “Tuttavia, la dimensione dei voxel, [or] la granularità della segmentazione limita la risoluzione spaziale dell’immagine.”
In effetti, le migliori istituzioni impiegano un numero enorme di scintillatori (che non lo sono necessariamente solido tutto il tempo). Advert esempio, il Esperimento T2K in Giappone si contano circa due tonnellate di materiali scintillanti sotto forma di due milioni di cubi e 60.000 fibre ottiche. I giganteschi rilevatori del CERN vantano anche milioni di fibre ottiche sottili e scintillanti. Ciò fornisce ai fisici dati di prim’ordine, ma cosa accadrebbe se queste configurazioni potessero essere più semplici?
Tecnologia più tecnologia
L’ultimo prototipo introduce uno scintillatore in uno schema di fotocamera pleottica. Conosciuto anche come telecamere per campo leggerole telecamere plenottiche sono dotate di una minuscola serie di microlenti che agiscono ciascuna come una minuscola telecamera per ricostruire la profondità e l’intensità del campo luminoso. Secondo la dichiarazione, combinate con un sensore specializzato a fotone singolo, le telecamere plenottiche hanno un buon potenziale sottoesplorato per il tracciamento 3D advert alta risoluzione delle particelle elementari.
Questo è esattamente ciò che hanno fatto i ricercatori; dopo aver sviluppato e assemblato una fotocamera su misura, una serie di microlenti e il sensore a fotone singolo, il crew ha condotto esperimenti sia empirici che di simulazione con il suo nuovo rilevatore. Nei check di laboratorio, il crew ha ricostruito con successo le posizioni degli elettroni da una fonte a base di stronzio, confermando che, come sospettato, questa configurazione potrebbe rilevare efficacemente le particelle.
Piccole scale, grandi sfide
Utilizzando questi risultati, i ricercatori hanno eseguito un’analisi basata sulla simulazione di come i neutrini – particelle fondamentali prive di carica e quasi prive di massa – si comporterebbero in un rilevatore PLATON. Le simulazioni hanno dimostrato che il rilevatore potrebbe tracciare queste minuscole particelle fino a una risoluzione di 200 micrometri, spiega l’articolo. Un modello di deep studying assistito nella post-elaborazione di carichi di dati di grandi dimensioni. Nel complesso, i risultati finali, ha riferito Sgalaberna a Gizmodo, sono stati “eccellenti”.
“Volevamo caratterizzare la risoluzione della fotocamera 3D con esperimenti ben controllati e, cosa ancora più importante, riprodurre i risultati nella nostra simulazione ottica personalizzata”, ha aggiunto. Detto questo, come aggiungono i ricercatori nel documento, ci sono ancora molte sfide tecniche da affrontare affinché la tecnologia in stile PLATON possa davvero fare colpo sulla scena della fisica delle particelle.
Tuttavia, ci sono alcuni ovvi vantaggi nel design del rilevatore, come il fatto che non necessita delle “grandi infrastrutture criogeniche” tipiche dei rilevatori di particelle. Se il crew mantiene le sue promesse, il nuovo prototipo potrebbe essere rivoluzionario in termini di scalabilità e risoluzioni di imaging senza precedenti, che sono, come ha affermato Sgalaberna, “la chiave per i futuri esperimenti di fisica delle particelle, non solo quelli relativi ai neutrini”.
