Физики из Высшей технической школы Цюриха и Федеральной политехнической школы Лозанны разработали прототип детектора частиц, который способен отслеживать их траектории в трёх измерениях внутри цельного блока материала. Новая технология может упростить и удешевить эксперименты по поиску нейтрино и гипотетических частиц тёмной материи.
Современные детекторы, как правило, состоят из миллионов отдельных сегментов – сцинтилляторов, которые вспыхивают при прохождении через них заряженной частицы. Свет от каждой вспышки улавливают оптоволоконные кабели и передают на фотоумножители. Такая конструкция позволяет точно определить путь частицы, но её сложно и дорого масштабировать. Например, детектор в японском эксперименте T2K состоит примерно из двух миллионов сцинтилляционных кубиков и 60 тыс. оптоволокон.
Швейцарские исследователи предложили иной подход в рамках проекта PLATON. Вместо сегментированного материала они используют сплошной блок сцинтиллятора и специальную камеру, которая реконструирует положение источника света внутри него. В основе системы лежит технология светового поля, или пленоптическая фотография. В отличие от обычной камеры, она фиксирует не только интенсивность, но и направление световых лучей, что позволяет восстанавливать трёхмерную картину.
Прототип объединяет массив микролинз и сверхчувствительный сенсор на лавинных фотодиодах (SPAD), способный регистрировать одиночные фотоны. Сенсор также может работать в стробируемом режиме – фиксировать свет только в заданные короткие промежутки времени, отсекая фоновый шум. Лабораторные тесты подтвердили, что система способна определять положение вспышки с высокой точностью даже при регистрации всего нескольких фотонов.
Для обработки данных команда применила нейросеть на архитектуре Transformer, адаптировав её для анализа паттернов в потоке фотонов. Моделирование показало, что детектор объёмом 10x10x10 см сможет достичь пространственного разрешения менее миллиметра. Для установки размером в кубический метр разрешение оценивается в несколько миллиметров, что сопоставимо с лучшими современными сегментированными детекторами, но при значительно более простой конструкции.
Команда уже работает над усовершенствованной версией детектора с более чувствительным сенсором и оптикой с расширенным полем зрения. Технология также может найти применение за пределами фундаментальной физики. Исследователи уже запатентовали её использование в медицинских аппаратах для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).
