Alguns avanços na física se devem a invenções completamente novas. Outros começam com uma nova teoria. Mas muitos avanços acontecem quando os investigadores combinam tecnologias familiares de formas inesperadas e criam algo mais poderoso do que as partes individuais.
Esta estratégia pode ser particularmente valiosa na busca de partículas de interação fraca, incluindo neutrinos e alguns candidatos à matéria escura. Estas partículas são notoriamente difíceis de detectar porque raramente interagem com a matéria comum. Construir detectores maiores e melhorar a sua resolução espacial pode aumentar as hipóteses de observar os sinais fracos que produzem, mas isto muitas vezes torna os instrumentos mais complexos e caros.
Requisitos semelhantes se aplicam aos calorímetros, dispositivos usados em experimentos com colisores para medir a energia transportada pelas partículas.
Por que os detectores de partículas são tão complicados
A maioria dos experimentos em física de partículas requer a reconstrução de trajetórias tridimensionais (3D) de partículas à medida que elas se movem através de grandes volumes de material denso.
Um material detector comum é um cintilador. Quando uma partícula carregada passa por um cintilador, o material emite pequenos flashes de luz visível. Os cientistas usam esses flashes para determinar por onde a partícula viajou e como interagiu com o detector.
Para localizar com precisão a partícula, o cintilador é normalmente dividido em um grande número de pequenas seções ativas. As fibras ópticas coletam os fótons gerados em cada seção e transmitem a luz para fotomultiplicadores ou fotomultiplicadores de silício que contam os fótons.
Essa abordagem pode ser muito precisa, mas torna-se difícil de escalar.
Por exemplo, o Experimento de Oscilação de Neutrinos T2K do Japão usa um detector com cerca de duas toneladas de material sensível feito de cerca de dois milhões de cubos e 60.000 fibras. No CERN e no Instituto Paul Scherrer, os experimentos LHCb e Mu3e alcançam resolução espacial submilimétrica usando milhões de fibras ópticas finas e cintilantes.
Esses sistemas demonstram o que os detectores segmentados podem alcançar, mas também revelam um problema crescente. À medida que os detectores aumentam, a fabricação, montagem e leitura de milhões de componentes individuais pode se tornar um grande desafio tecnológico e financeiro.
Uma nova abordagem radical para rastreamento de partículas
Pesquisadores da ETH Zurich e da EPFL propõem agora uma estratégia completamente diferente.
O estudante de pós-graduação Thiel Dimminger, o pesquisador sênior Dr. Saul Alonso-Monsalve, o professor Davide Sgalaberno e colegas, juntamente com membros do Laboratório de Arquitetura Quântica Avançada da EPFL em Lausanne, sob a direção do Professor Edouard Charbon, desenvolveram e testaram o primeiro protótipo de um detector projetado para realizar imagens 3D ultrarrápidas e de alta resolução de partículas. dentro de um grande bloco não segmentado de material cintilador.
Em vez de dividir o detector em milhões de pequenos blocos, o sistema utiliza tecnologia de câmera avançada para reconstruir a origem da luz.
Uma demonstração de protótipo e uma extensa série de simulações foram recentemente descritas em Comunicações da natureza.
Transformando a fotografia de campo de luz em uma ferramenta física
O detector se inspira em câmeras plenópticas, também conhecidas como câmeras de campo luminoso.
Ao contrário de uma câmera convencional, que registra principalmente a intensidade da luz que entra, uma câmera de campo luminoso também registra informações sobre a direção de onde a luz veio. Isso permite recriar a profundidade e recriar a cena em três dimensões.
A tecnologia depende de uma microlente (MLA) colocada entre a lente principal da câmera e o sensor de imagem. Cada lente microscópica funciona como uma pequena câmera, gravando a mesma cena de um ângulo ligeiramente diferente. Quando as informações de todas essas lentes são combinadas, o sistema pode reconstruir um campo de luz que descreve a intensidade, posição e direção da luz incidente.
Para detecção de partículas, esta capacidade é particularmente útil porque a luz dentro do cintilador pode ser muito fraca.
Quando as câmeras plenóticas são combinadas com sensores de diodo de avalanche de fóton único (SPADs), elas podem detectar fótons individuais e potencialmente reconstruir trilhas de partículas mesmo quando há muito pouca luz disponível. Apesar desta promessa, as câmeras de campo de luz não foram estudadas anteriormente para rastreamento de partículas.
Dentro do protótipo PLATON
O novo sistema foi desenvolvido como parte do projeto PLATON, financiado pela Swiss National Science Foundation.
A equipe ETHZ-EPFL construiu um detector de prova de conceito que combina um conjunto de microlentes e um sensor de imagem SPAD. O sensor, conhecido como SwissSPAD2, foi desenvolvido pela equipe EPFL. A Raytrix GmbH desenvolveu o MLA e o montou diretamente no sensor para criar um sistema de imagem plenóptico completo.
SwissSPAD2 também fornece detecção de fótons controlada. Isto significa que o sensor registra fótons apenas durante janelas de tempo especificadas.
Este controle de tempo ajuda os pesquisadores a se concentrarem nos períodos em que a luz de cintilação verdadeira tem maior probabilidade de estar presente, enquanto filtra sinais de fundo aleatórios e outras contagens falsas.
Testando o detector com apenas alguns fótons
Os pesquisadores testaram a resolução espacial do PLATON em experimentos de laboratório usando níveis de luz que variam de algumas centenas de fótons detectados a cinco.
Eles também avaliaram se o protótipo poderia detectar elétrons e reconstruir sua posição dentro da unidade cintiladora de plástico. Os elétrons foram obtidos usando uma fonte de estrôncio-90.
Sob várias condições de teste, as simulações corresponderam de perto às medições de laboratório, dando aos investigadores a confiança de que os seus modelos descreveram com precisão o desempenho do detector.
Os resultados do primeiro demonstrador já informaram os planos da equipe para a próxima versão do PLATON.
Tempo mais rápido e alta sensibilidade
Os pesquisadores estão desenvolvendo um novo sensor SPAD projetado para melhorar a eficiência da detecção de fótons e fornecer temporização abaixo de nanossegundos para fótons individuais.
No sistema atual, os fótons são atribuídos a janelas de tempo fixas. Na versão atualizada, cada fóton detectado receberá seu carimbo de data/hora exato.
Esta informação adicional de temporização poderia ajudar o sistema a determinar com mais precisão de onde veio cada fóton e melhorar a reconstrução dos rastros de partículas.
Os pesquisadores também otimizaram a câmera plenóptica para expandir o campo de visão e coletar mais luz. As simulações apresentadas no artigo sugerem que essas mudanças devem melhorar ainda mais a resolução espacial do PLATON.
IA reconstrói as interações ocultas de partículas
A equipe também usou simulações para avaliar como o sistema PLATON atualizado poderia funcionar na detecção de neutrinos.
A simulação envolveu um novo método de processamento de imagem baseado em rede neural (NN). O sistema utiliza uma arquitetura Transformer adaptada ao tipo comumente utilizado em grandes modelos de linguagem.
No entanto, em vez de analisar palavras, este transformador examina padrões entre os fótons de cintilação registrados pelo detector. Ele foi projetado para determinar a correlação de onde e quando os fótons aparecem, permitindo reconstruir a interação original das partículas.
Simulações mostram que um detector PLATON não segmentado com volume de (10x10x10)cm3 pode realisticamente alcançar uma resolução espacial abaixo de 1 mm.
Eles também sugerem que o sistema pode identificar interações de neutrinos que produzem prótons de baixo momento no estado final com alta pureza e alta eficiência. Em outras palavras, o detector pode selecionar os eventos desejados enquanto rejeita simultaneamente muitos sinais não relacionados.
Dimensionando para o metro cúbico
Os pesquisadores também analisaram como a tecnologia poderia funcionar em um detector muito maior.
Devido aos recursos computacionais limitados, eles não realizaram simulações completas de neutrinos para um bloco de cintilador não segmentado de um metro cúbico. Em vez disso, eles modelaram uma fonte pontual simplificada de fótons.
Simulações sugerem que um detector deste tamanho poderia atingir uma resolução espacial de alguns milímetros, equiparando-o aos detectores cintiladores de plástico de última geração.
O resultado é particularmente notável porque PLATON alcançou este desempenho sem dividir o cintilador em milhões de partes individuais.
Os autores sugerem que melhorias adicionais no design óptico e em outras partes do sistema podem eventualmente tornar possível a resolução submilimétrica em detectores do tipo PLATON com volume superior a 1 m3.
Potencial para uso além da física de partículas
Os investigadores do ETH Zurique acreditam que esta tecnologia poderá eventualmente ser útil muito além das experiências com neutrinos e colisores de partículas.
Como o PLATON foi projetado para reconstruir a posição de sinais de luz fracos em três dimensões, ele pode melhorar uma ampla gama de sistemas de imagem.
Dieminger, Alonso-Monsalve e Sgalaberna já registraram três patentes separadas relacionadas ao uso da tecnologia PLATON em tomografia por emissão de pósitrons (PET). PET é uma técnica de imagem médica que rastreia marcadores radioativos dentro do corpo para detectar atividade em órgãos e tecidos.
As patentes abrangem tanto o design do scanner quanto as técnicas de processamento de imagens, incluindo o NN desenvolvido por Alonso-Monsalve.
A física de partículas tem uma longa história de produção de tecnologias que mais tarde encontrarão aplicações mais amplas. A World Wide Web foi criada no CERN, enquanto a terapia de prótons cresceu a partir dos avanços nos aceleradores de partículas e na física da radiação.
PLATON pode ser outro exemplo de experimento físico que leva a uma tecnologia com importantes aplicações científicas e médicas.
