Các nhà khoa học phát triển cách mới để theo dõi hạt trong không gian 3D
Các nhà vật lý đang thay đổi cách phát hiện những hạt khó nắm bắt như neutrino bằng cách kết hợp các công nghệ quen thuộc theo những cách chưa từng có.
Tiến bộ trong vật lý thường đến từ việc kết hợp bất ngờ những ý tưởng quen thuộc. Điều này ngày càng đúng trong cuộc săn tìm các hạt khó phát hiện như neutrino và ứng viên vật chất tối, nơi việc phát hiện bị giới hạn không chỉ bởi lý thuyết mà còn bởi kích thước, chi phí và độ chính xác của thiết bị. Khi các máy dò ngày càng lớn để tăng độ nhạy, thiết kế truyền thống dựa trên vật liệu phân đoạn tinh vi trở nên khó mở rộng, buộc các nhà nghiên cứu phải tìm hướng đi khác.
Một nhóm nghiên cứu từ ETH Zurich và EPFL đã phát triển nguyên mẫu máy dò có khả năng ghi lại hình ảnh 3D siêu nhanh, độ phân giải cao của các tương tác hạt trong khối scintillator không phân đoạn. Kết quả cùng các mô phỏng chi tiết đã được công bố trên Nature Communications.
Công nghệ này lấy cảm hứng từ camera trường ánh sáng (plenoptic), vốn ghi lại cả cường độ và hướng ánh sáng để tái tạo thông tin độ sâu. Khi kết hợp với cảm biến SPAD (single-photon avalanche diode), hệ thống có thể theo dõi hạt trong 3D ngay cả khi chỉ có rất ít photon được phát hiện.
Nguyên mẫu được xây dựng trong khuôn khổ dự án PLATON do Quỹ Khoa học Quốc gia Thụy Sĩ tài trợ. Hệ thống kết hợp mảng vi thấu kính (MLA) với cảm biến SwissSPAD2 do EPFL phát triển. Điểm nổi bật của SwissSPAD2 là khả năng phát hiện photon theo cửa sổ thời gian, giúp phân biệt tín hiệu thật với nhiễu nền.
Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy hệ thống có thể tái tạo vết electron trong scintillator nhựa bằng nguồn strontium-90, với kết quả khớp chặt chẽ với mô phỏng.
Các mô phỏng nâng cao cho thấy hệ thống có thể đạt độ phân giải dưới 1 mm trong khối 10x10x10 cm³, và nhận diện chính xác các tương tác neutrino có proton động lượng thấp. Với máy dò lớn hơn, mô hình cho thấy độ phân giải vài mm trong thể tích 1 m³, tương đương công nghệ hiện tại, và có thể đạt mức dưới milimet khi được cải tiến thêm.
Ngoài vật lý hạt, nhóm nghiên cứu tin rằng hệ thống dựa trên camera trường ánh sáng này có thể cải thiện hình ảnh trong nhiều lĩnh vực khác. Họ đã nộp ba bằng sáng chế liên quan đến ứng dụng trong chụp cắt lớp phát xạ positron (PET), bao gồm thiết kế máy quét và phương pháp xử lý ảnh bằng mạng nơ-ron Transformer.
Từ World Wide Web đến liệu pháp proton, vật lý hạt đã nhiều lần tạo ra công nghệ có ảnh hưởng rộng lớn. PLATON có thể trở thành một ví dụ mới cho xu hướng này.