Naukowcy z ETH Zurich oraz EPFL opracowali innowacyjny system detekcji cząstek o nazwie PLATON, który może zrewolucjonizować sposób, w jaki badamy niewidzialne zjawiska fizyczne. Zamiast polegać na skomplikowanych konstrukcjach składających się z milionów drobnych elementów, nowy detektor wykorzystuje jednolity blok materiału scyntylacyjnego oraz zaawansowaną technologię obrazowania polowego, co pozwala na precyzyjne śledzenie cząstek w trzech wymiarach.
Wyzwania współczesnej fizyki cząstek
Współczesne eksperymenty fizyczne, takie jak badania nad neutrinami czy poszukiwania ciemnej materii, wymagają rejestrowania ścieżek cząstek elementarnych przechodzących przez gęste materiały. Standardową metodą jest stosowanie scyntylatorów, które emitują błyski światła w momencie przejścia cząstki. Aby określić trajektorię, materiał ten musi być zazwyczaj podzielony na miliony małych segmentów, z których każdy wymaga osobnego systemu odczytu światłowodowego.
Takie podejście, choć skuteczne, staje się ogromnym wyzwaniem technologicznym i finansowym. Przykładowo, eksperyment T2K w Japonii wykorzystuje detektor o masie dwóch ton, złożony z około dwóch milionów kostek i 60 tysięcy światłowodów. Wraz ze wzrostem skali detektorów, produkcja i montaż tak dużej liczby komponentów stają się główną barierą w rozwoju badań.
Przełom dzięki technologii kamer polowych
Zespół badawczy pod kierownictwem profesora Davide Sgalaberny zaproponował radykalnie inne rozwiązanie. Zamiast dzielić detektor na tysiące części, wykorzystali oni koncepcję kamer plenoptycznych, znanych również jako kamery pola świetlnego. W przeciwieństwie do tradycyjnych aparatów, które rejestrują jedynie natężenie światła, technologia ta pozwala na zapisanie informacji o kierunku, z którego dotarły fotony. Dzięki temu możliwe jest odtworzenie głębi i rekonstrukcja sceny w 3D.
System PLATON łączy w sobie trzy kluczowe elementy:
Precyzja i potencjał skalowania
W testach laboratoryjnych prototyp PLATON wykazał zdolność do rekonstrukcji pozycji elektronów przy użyciu zaledwie kilku fotonów. Wykorzystanie sensora SwissSPAD2 pozwala na tzw. bramkowanie czasowe, co oznacza, że system rejestruje światło tylko w określonych oknach czasowych, skutecznie odfiltrowując szum tła. Symulacje przeprowadzone przez zespół wskazują, że detektor o objętości 10x10x10 cm może osiągnąć rozdzielczość przestrzenną poniżej 1 mm.
Co istotne, technologia ta wykazuje duży potencjał skalowania. Modele teoretyczne sugerują, że detektor o objętości jednego metra sześciennego mógłby osiągnąć rozdzielczość rzędu kilku milimetrów, dorównując obecnym standardom bez konieczności stosowania milionów segmentów. Dalsze prace nad optymalizacją optyki mają na celu osiągnięcie rozdzielczości submilimetrowej nawet w tak dużych urządzeniach.
Zastosowania w medycynie
Potencjał PLATON wykracza poza fizykę wysokich energii. Naukowcy złożyli już trzy wnioski patentowe dotyczące wykorzystania tej technologii w pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Dzięki zdolności do precyzyjnego śledzenia słabych sygnałów świetlnych w 3D, system ten mógłby znacząco poprawić jakość obrazowania medycznego, pozwalając na dokładniejsze śledzenie znaczników radioaktywnych w organizmie pacjenta.
Rozwój tej technologii jest kolejnym przykładem, w którym narzędzia stworzone na potrzeby podstawowych badań fizycznych znajdują bezpośrednie zastosowanie w diagnostyce medycznej, podobnie jak miało to miejsce w przypadku rozwoju terapii protonowych czy technologii internetowych.
