«Апостериори»: Новая технология может изменить устройство детекторов нейтрино
Новости науки и технологий
Поддержите «Эхо», если вы не в России
Физики разработали новый тип детектора элементарных частиц, который позволяет восстанавливать трёхмерные траектории частиц внутри большого объёма сцинтиллятора. В основе системы лежит необычное сочетание пленоптической камеры и сенсоров, способных регистрировать отдельные фотоны с высокой временной точностью.
Современные детекторы частиц, например установки для изучения нейтрино, часто требуют одновременно больших объёмов активного вещества и очень высокой пространственной точности. Особенно это важно для частиц, которые почти не взаимодействуют с веществом. Один из способов повысить точность – разделить детектор на множество маленьких элементов, каждый из которых считывается отдельно. Однако для больших установок такой подход становится крайне сложным и дорогим: количество каналов электроники может достигать миллионов.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, учёные предложили альтернативный подход – отказаться от физического разделения сцинтиллятора на отдельные ячейки и вместо этого восстанавливать положение взаимодействия по свету, который испускает материал.
Сцинтилляторы – это вещества, которые преобразуют энергию проходящей частицы в вспышки света. Когда заряженная частица проходит через такой материал, она возбуждает его атомы или молекулы, после чего выделяется большое количество энергии в виде фотонов. Обычно детекторы фиксируют это излучение с помощью фотодатчиков, расположенных вокруг. Однако определить точное положение, где появился каждый фотон, сложно: обычная камера теряет информацию о глубине, поскольку один и тот же луч может исходить из разных точек пространства.
Авторы новой работы решили использовать принцип пленоптической камеры – технологии, известной также как камера светового поля. В обычной камере каждый пиксель фиксирует только интенсивность света. В пленоптической перед сенсором располагается массив микролинз. Каждая микролинза создаёт изображение с немного другого угла, благодаря чему система получает информацию не только о положении фотона, но и о направлении его движения. Это позволяет восстановить трёхмерную структуру объекта после обработки изображения.
В новой системе под названием PLATON эта технология была объединена с матрицами SPAD – однофотонными лавинными диодами. Такие сенсоры способны регистрировать отдельные фотоны и измерять время их прихода с точностью до сотен пикосекунд. Кроме того, электроника считывания интегрирована непосредственно в сам сенсор, что позволяет значительно уменьшить количество внешних каналов обработки данных.
Сначала исследователи проверили работу прототипа с помощью точечного источника света. Камера смогла определить его положение в трёх измерениях с разрешением около нескольких миллиметров. Для тестового образца глубинное разрешение составило примерно 2 миллиметра, а поперечное – менее миллиметра.
Затем учёные использовали настоящий источник частиц – стронций-90, испускающий электроны. Им удалось восстановить положение отдельных событий внутри пластикового сцинтиллятора, хотя характеристики прототипа пока ограничивали точность эксперимента.
Основные результаты работы связаны не с нынешним прототипом, а с моделированием будущего улучшенного детектора. Исследователи создали модель установки и проверили, сможет ли она восстанавливать взаимодействия нейтрино. Для обработки данных они использовали нейросеть на основе архитектуры трансформеров, похожую на ту, которая применяется в современных больших языковых моделях. Она анализировала сложные связи между множеством зарегистрированных фотонов и помогала восстановить траектории частиц.
Согласно моделированию, такой детектор может достичь пространственного разрешения около 190 микрометров. Для взаимодействий нейтрино с несколькими возникающими частицами точность определения точки взаимодействия составила около 0,42 миллиметра.
Авторы также рассмотрели возможность масштабирования системы до объёма около одного кубического метра. В таком случае разрешение будет хуже, но всё ещё может составлять несколько миллиметров, что сопоставимо или даже лучше некоторых существующих технологий. При этом дальнейшее улучшение оптики, сенсоров и алгоритмов обработки данных может позволить приблизиться к субмиллиметровой точности.
Хотя новая технология пока не готова заменить крупнейшие нейтринные обсерватории, сама идея меняет подход к созданию детекторов: вместо того чтобы физически разделять пространство на миллионы маленьких элементов, учёные предлагают использовать вычислительную реконструкцию и извлекать больше информации из каждого отдельного фотона.
В будущем такие детекторы могут найти применение не только в физике элементарных частиц, но и в медицинской визуализации – например в новых методах томографии.