科學家製造出可以 3D 追蹤不可見粒子的相機

這種策略在尋找弱相互作用粒子（包括中微子和一些暗物質候選者）時特別有價值。這些粒子很難被偵測到，因為它們很少與普通物質相互作用。建造更大的探測器並提高其空間分辨率可以增加觀察它們產生的微弱訊號的幾率，但通常會使儀器變得更加複雜和昂貴。

類似的要求也適用於量熱計，即對撞機實驗中用於測量粒子攜帶的能量的設備。

為什麼粒子探測器如此複雜？

大多數粒子物理學實驗都需要重建基本粒子穿過大量緻密材料時的三維 (3D) 路徑。

常見的探測器材料是閃爍體。當帶電粒子穿過閃爍體時，該材料會發出微小的可見光閃光。科學家利用這些閃光來確定粒子的行進位置以及它如何與探測器相互作用。

為了確定粒子的位置，閃爍體通常被分成許多小的活動部分。光纖收集每個部分產生的光子，並將光傳輸到光電倍增管或矽光電倍增器，對光子進行計數。

這種方法可能非常準確，但很難擴展。

例如，日本的 T2K 中微子振盪實驗所使用的偵測器包含 200 萬個立方體和 60,000 根光纖中約兩噸的敏感材料。在 CERN 和 Paul Scherrer 研究所，LHCb 和 Mu3e 實驗使用數百萬根細而明亮的光纖實現了亞毫米空間分辨率。

這些系統展示了分段探測器的功能，但它們也顯示出日益嚴重的問題。隨著探測器規模的擴大，數百萬個單獨組件的製造、組裝和讀出可能成為重大的技術和財務障礙。

一種全新的粒子追蹤方法

蘇黎世聯邦理工學院和洛桑聯邦理工學院的研究人員現在提出了一個截然不同的策略。

博士生 Till Dieminger、Saúl Alonso-Monsalve 博士、Davide Sgalaberna 教授及其團隊同事，與 Edoardo Charbon 教授領導的洛桑 EPFL 高級量子架構實驗室的成員一起，開發並測試了第一個探測器原型，該探測器設計用於對高分辨率 3D 粒子塊內的粒子進行超快成像和高分辨率成像。

該系統沒有將探測器分成數百萬個微小單元，而是使用先進的相機技術來重建光的來源。

最近描述了原型演示和廣泛的模擬 自然通訊。

將光場攝影變成實體工具

這款探測器的靈感來自全光相機，也稱為光場相機。

與主要記錄入射光強度的普通相機不同，光場相機也記錄有關光來自方向的資訊。這允許恢復深度並在三個維度上重建場景。

該技術基於位於相機主鏡頭和影像感測器之間的微透鏡陣列 (MLA)。每個顯微鏡頭就像一個微型相機，從略有不同的角度記錄相同的場景。當來自所有這些鏡頭的資訊結合在一起時，系統可以重建描述入射光的強度、位置和方向的光場。

對於粒子檢測，此功能特別有用，因為火星塞內的光可能非常微弱。

當全光相機與單光子雪崩二極體 (SPAD) 感測器配對時，即使在非常弱的光線下，它們也可以偵測單個光子並重建粒子軌跡。儘管有這樣的承諾，但明場相機並沒有被探索用於粒子追蹤。

柏拉圖原型內部

新系統是透過瑞士國家科學基金會資助的 PLATON 專案開發的。

ETHZ-EPFL 團隊建構了一個概念驗證偵測器，將微透鏡陣列與 SPAD 影像感測器結合在一起。名為 SwissSPAD2 的感測器由 EPFL 團隊開發。 Raytrix GmbH 設計了 MLA 並將其直接安裝在感測器上，以創建完整的全光成像系統。

SwissSPAD2 也提供光子偵測。這意味著感測器僅記錄時間視窗內的光子。

這種定時控制有助於研究人員關注可能存在真正耀斑的時期，同時濾除隨機背景訊號和其他虛假計數。

用一些光子測試探測器

研究人員在實驗室實驗中使用數百到五個檢測到的光子的光水平測試了 PLATON 的空間分辨率。

他們還評估了塑膠發光塊內的原型，該塑膠發光塊可以檢測電子並重建它們的位置。電子是使用鍶 90 源產生的。

在不同的測試條件下，模擬與實驗室測量結果相匹配，使研究人員相信他們的模型準確地描述了探測器的性能。

第一次演示的結果已經影響了團隊對 PLATON 下一個版本的計劃。

更快的時間和更高的靈敏度

研究人員正在開發一種新型 SPAD 陣列感測器，以提高光子偵測效率並提供亞奈秒的單一光子時間。

在目前系統中，光子被分配到固定的時間視窗。在更新版本中，每個偵測到的光子都會收到其準確的時間戳記。

添加的定時資訊可以幫助系統更精確地確定每個光子的來源，並改進粒子軌蹟的重建。

研究人員還優化了全光相機，以擴大其視野並收集更多的光線。論文中提出的模擬顯示這些變化應該進一步提高 PLATON 的空間解析度。

人工智慧重建隱藏的粒子相互作用

該團隊還使用模擬來估計升級後的 PLATON 系統在檢測中微子方面的表現。

模擬引入了一種新的基於神經網路（NN）的圖像處理方法。該系統使用的 Transformer 架構改編自大型語言模型中常用的類型。

然而，這個 Transformer 不是分析文字，而是分析偵測器所記錄的閃爍光子之間的模式。它旨在識別光子出現的位置和時間的相關性，從而重建原始粒子相互作用。

模擬顯示PLATON是一個體積為(10x10x10)cm的不分段偵測器。³ 可實現小於1mm的空間解析度。

他們還表明，該系統可以識別中微子相互作用，從而產生高純度和高效率的終態低動量質子。換句話說，偵測器可能能夠挑選出所需的事件，同時拒絕許多不相關的訊號。

增加到立方米

研究人員研究了該技術如何在更大的探測器上發揮作用。

由於計算資源有限，他們沒有對未分段的立方公尺閃爍體塊進行完整的中微子模擬。相反，他們模擬了一個簡化的光子點源。

模擬表明，這種尺寸的探測器可以實現幾毫米的空間分辨率，與最先進的塑膠閃爍體探測器相當。

結果尤其引人注目，因為 PLATON 無需將火星塞分成數百萬個即可實現這一性能。

作者認為，對光學設計和系統其他部分的進一步改進最終可能使體積大於 1 m 的 PLATON 型探測器實現亞毫米分辨率。³。

粒子物理學以外的潛在用途

蘇黎世聯邦理工學院的研究人員相信，這項技術最終可能會超越中微子實驗和粒子對撞機的用途。

由於 PLATON 旨在重建三維微弱光訊號的位置，因此它可以改進各種成像系統。

Dieminger、Alonso-Monsalve 和 Sgalaberna 已經就 PLATON 技術在正子斷層掃描 (PET) 中的使用申請了三項單獨的專利。 PET 是一種影像方法，可追蹤體內的放射性痕跡，以揭示器官和組織的活動。

這些專利涵蓋掃描器設計和影像處理技術，包括 Alonso-Monsalve 開發的 NN。

粒子物理學在產生後來更廣泛應用的技術方面有著悠久的歷史。萬維網起源於歐洲核子研究中心，而質子治療則源自於粒子加速器和輻射物理學的進步。

柏拉圖可能成為物理實驗的另一個例子，該實驗將帶來具有重大科學和醫學應用的技術。