Физиците разработиха напълно нова камера за откриване на невтрони и тъмна материя

Нови начин за регистриране на елементарни частици: от громоздки детектори до една камера

Международна група учени под ръководството на швейцарски физици представи революционен метод за откриване на нейтрони и тъмна материя. Вместо обичайните масивни системи, разделени на хиляди сегмента, те използват една камера със светово поле в комбинация с високочувствителен фотонен датчик. Този подход прави детектора прост и икономичен, което може да ускорява търсенето на най-неуловимите частици.

Традиционни нейтронни детектори
Съвременните установки за регистриране на следове от разпада на нейтрони са огромни обеми от изключително чиста течност, проникната с фотодетектори (фотоумножители). Нейтроните не взаимодействат директно със веществото поради липса на заряд и малка маса, затова техните „следове“ се виждат само след разпада на атомите в течността. Тези детектори могат да бъдат изкуствени (например в големи резервуари) или природни – както в Байкал, Антарктида или дъното на Средиземно море. В двата случая обемът се разделя на сектори, което води до използването на десетки хиляди датчици.

Компактни решения и ограниченията им
За лабораторни експерименти могат да се използват по-компактен детектори, но те все пак запазват секторна структура и оптична волоконна мрежа от десетки хиляди канали. Тази плътност позволява засичане на траектории на субатомни частици с точност до стотинни милиметра за кратко време. Нейтроните се сблъскват с атом, разпадайки го на по-малки частици; следователно следовете от тези разломи възстановяват „престъпника“ на събитието.

Нова технология PLATON
Учени от ETH Zurich и EPFL разработиха датчик PLATON, който не изисква сегментация на сцинтиляторния материал. Вътре в един обем се образуват следове от разпада на нейтрони, които след това се регистрират с фотони. Една камера заменя хиляди сензори, запазвайки и дори повишавайки резолюционната способност.

Камерата PLATON използва матрица микролинзи, която засича не само интензитета на светлината, но и посоката й. Това позволява възстановяване на тримерна траектория на частицата без физическа сегментация на детектора. Тестове с източник стронций‑90 (електрони) потвърдиха ефективността на метода.

Резолюция и мащабиране
Моделирането показва, че за сцинтилятор размер 10 × 10 × 10 см системата достига резолюция на трака под 1 мм. При увеличаване до един кубичен метър (стандартен размер на нейтронни експерименти) точността остава в рамките на няколко милиметра – сравнима с най-добрите световни аналози, но при значително по-малка сложност на сглобяването.

Ключова роля в обработката на изображения играе невросеть базирана на архитектурата Transformer, която ефективно отделя полезните сигнали от „шум“ на сцинтилаторните фотони.

Перспективи за приложение
Разработчиците вече подали три патента за използване на технологията PLATON в позитронно-емисионна томография (ПЕТ). Екипът очаква, че допълнителни подобрения на дизайна ще позволят достигане субмилиметрова резолюция за детектори с обем над един кубичен метър – отваряйки нови възможности както в търсенето на тъмна материя, така и в медицински приложения.