פיזיקאים פיתחו מצלמה חדשה לגמרי לזיהוי נויטרינו וחומר אפל

שיטה חדשה לרישום חלקיקים יסודיים: ממכשירים כבדים למצלמה אחת

קבוצת מדענים בינלאומית בראשות פיזיקאים שוויצריים הציגה שיטת גילוי מהפכנית לנויטרינו וחומר אפל. במקום מערכות עצומות מחולקות לאלפי חלקים, הם השתמשו במצלמה יחידה של השדה האור יחד עם חיישן פוטונים רגיש במיוחד. גישה כזו הופכת את המכשיר פשוטה וכלכלית, מה שעשוי加速 את חיפוש החלקיקים הקשים ביותר.

מכשירי נויטרינו מסורתיים
התקנים המודרניים לרישום עקבות פירוק נויטרינו הם נפחים עצומים של נוזל נקי במיוחד, מלא בחיישני פוטונים (פילטרים). נויטרינו אינם מתקשרים ישירות עם החומר בגלל חוסר מטען וכמות קטנה, ולכן "עקבות" שלהם נראות רק לאחר פירוק אטומים בנוזל. מכשירים כאלה יכולים להיות מלאכותיים (לדוגמה ברזיורים גדולים) או טבעיים – כמו ב-בייקאל, אנטארקטיקה או במעמקי הים התיכון. בשני המקרים נפח מחולק לשווקים, מה שמוביל לשימוש בעשרות אלפי חיישנים.

פתרונות קומפקטיים והגבלותיהם
לנסיונות מעבדתיים ניתן להשתמש במכשירים קומפקטיים יותר, אך הם עדיין שומרים על מבנה סקטורי ורשת אופטית של עשרות אלפי ערוצים. צפיפות כזו מאפשרת לרשום מסלולים של חלקיקים תת-אטומיים בדיוק עד מאות מילימטרים תוך זמן קצר. נויטרינו פוגש אטום, מחלק אותו לחלקיקים קטנים יותר; עקביות הפיצול משחזר את "האשם" של האירוע.

הטכנולוגיה החדשה PLATON
מדענים מ-ETH Zurich ו-EPFL פיתחו חיישן PLATON שלא דורש סגמנטציה של חומר קינטילר. בתוך נפח אחד בלבד נוצרים עקבות פירוק נויטרינו, שנרשמות על ידי פוטונים. מצלמה אחת מחליפה אלפי חיישנים, שומרת ואף משפרת את יכולת ההבחנה.

מצלמת PLATON משתמשת במטריצה של מיקרו-זכוכיות שמקפידה לא רק על עוצמת האור אלא גם כיוון שלו. זה מאפשר לשחזר מסלול תלת-ממדי של חלקיק ללא סגמנטציה פיזית של המכשיר. ניסויים עם מקור סטרונציום‑90 (אלקטרונים) אישרו את יעילות השיטה.

רזולוציה והרחבה
הדמיות מראות כי למכשיר קינטילר בגודל 10 × 10 × 10 ס"מ המערכת מגיעה לרזולוציית מסלול של פחות ממילימטר. בהגדלה לגודל אחד מטר מעוקב (גודל סטנדרטי של ניסויי נויטרינו) דיוק נשאר בטווח כמה מילימטרים – תואם את הטובים בעולם, אך עם מורכבות בנייה משמעותית נמוכה יותר.

הדגם העיקרי בעיבוד תמונה הוא רשת עצבית מבוססת ארכיטקטורת Transformer, שמצליחה להבחין אותות מועילים מתוך "המולת" פוטונים קינטילריים.

אפשרויות שימוש
המפתחים כבר הגישו שלוש פטנטים לשימוש בטכנולוגיית PLATON בתומוגרפיה אלקטרון-פוזיטרון (PET). הצוות מצפה כי שיפורים נוספים בעיצוב יובילו לרזולוציה תת‑מילימטרית למכשירים בנפח מעל מטר מעוקב – פותחים אפשרויות חדשות הן בחיפוש חומר אפל והן באפליקציות רפואיות.