Alguns avanços na física vêm de novas descobertas. Outros começam com uma nova teoria. Mas muitos avanços acontecem quando os investigadores combinam tecnologias conhecidas de formas inesperadas e criam algo mais poderoso do que as partes individuais.
Esta técnica pode ser particularmente valiosa na busca de partículas de interação fraca, incluindo neutrinos e certos candidatos à matéria escura. Estas partículas são notoriamente difíceis de detectar porque raramente interagem com a matéria comum. Construir detectores maiores e melhorar a sua resolução espacial pode aumentar a probabilidade de observar os sinais fracos que produzem, mas isto muitas vezes torna os instrumentos mais complexos e caros.
Exigências semelhantes aplicam-se aos calorímetros, dispositivos utilizados em experiências com colisores para medir a energia transportada pelas partículas.
Por que os detectores de partículas são tão complicados?
A maioria dos experimentos de física de partículas requer a reconstrução dos caminhos tridimensionais (3D) das partículas elementares à medida que elas se movem através de materiais densamente compactados.
Um elemento detector comum é um cintilador. Quando uma partícula carregada passa por um cintilador, o material emite pequenos flashes de luz visível. Os cientistas usam esses flashes para determinar para onde a partícula viajou e como interagiu com o detector.
Para localizar a partícula, o cintilador é normalmente dividido em muitas pequenas seções ativas. A fibra óptica coleta os fótons produzidos em cada seção e direciona a luz para um tubo fotomultiplicador ou fotomultiplicador de silício, que conta os fótons.
Essa abordagem pode ser altamente precisa, mas torna-se difícil de escalar.
A experiência de oscilação de neutrinos T2K no Japão, por exemplo, utiliza um detector com cerca de duas toneladas de material sensível feito de cerca de dois milhões de cubos e 60.000 fibras. No CERN e no Instituto Paul Scherrer, os experimentos LHCb e Mu3e alcançam resolução espacial submilimétrica usando milhões de finas fibras ópticas cintilantes.
Esses sistemas demonstram o que os detectores segmentados podem fazer, mas também revelam um problema crescente. À medida que os detectores ficam maiores, a fabricação, montagem e leitura de milhões de componentes individuais pode se tornar um grande obstáculo técnico e financeiro.
O rastreamento de partículas é uma abordagem fundamentalmente nova
Pesquisadores da ETH Zurich e da EPFL propõem agora uma estratégia muito diferente.
Aluno de doutorado Till Dieminger, cientista sênior. Saul Alonso-Monsalve, o Prof. David Sgalabarna e colegas de seu grupo, juntamente com membros do Laboratório de Arquitetura Quântica Avançada da EPFL liderado pelo Prof. Edoardo Charbon, projetaram e testaram pela primeira vez a detecção. Imagem de partículas 3D de alta resolução dentro de um bloco grande e não segmentado de material cintilador.
Em vez de dividir o detector em milhões de unidades minúsculas, o sistema utiliza tecnologia de câmera avançada para reconstruir a origem da luz.
Uma extensa série de demonstrações e simulações de protótipos foi recentemente descrita Comunicação da natureza.
Transformando a fotografia de campo de luz em uma ferramenta de física
O detector se inspira em câmeras plenópticas, também conhecidas como câmeras de campo luminoso.
Ao contrário de uma câmera normal, que registra principalmente a intensidade da luz que entra, uma câmera de campo luminoso também captura informações sobre a direção de onde a luz veio. Isto permite recuperar profundidade e reconstruir uma cena em três dimensões.
A tecnologia depende de um conjunto de microlentes (MLA) colocado entre a lente principal da câmera e o sensor de imagem. Cada lente microscópica funciona como uma pequena câmera, gravando a mesma cena de um ângulo ligeiramente diferente. Quando todas essas informações da lente são combinadas, o sistema pode reconstruir um campo de luz, que descreve a intensidade, localização e direção da luz que entra.
Para detecção de partículas, esta capacidade é particularmente útil porque a luz dentro de um cintilador pode ser extremamente fraca.
Quando as câmeras plenóticas são combinadas com sensores de matriz de diodo de avalanche de fóton único (SPAD), elas podem detectar fótons individuais e potencialmente reconstruir trilhas de partículas mesmo quando há muito pouca luz disponível. Apesar dessa promessa, as câmeras de campo luminoso não foram exploradas anteriormente para rastreamento de partículas.
Dentro do protótipo Platon
O novo sistema foi desenvolvido através do projeto PLATON, financiado pela Swiss National Science Foundation.
A equipe ETHZ-EPFL desenvolveu um detector de prova de conceito que combina um conjunto de microlentes com um sensor de imagem SPAD. O sensor, conhecido como SwissSPAD2, foi desenvolvido pela equipe EPFL. A Raytrix GmbH projetou o MLA e o montou diretamente no sensor para criar um sistema de imagem plenóptico completo.
SwissSPAD2 também fornece detecção de fótons controlada. Isso significa que o sensor registra apenas fótons dentro de uma janela de tempo definida.
Este controle de tempo ajuda os pesquisadores a se concentrarem nos períodos em que a luz de cintilação verdadeira tem maior probabilidade de aparecer, enquanto filtra sinais de fundo aleatórios e outras contagens espúrias.
Testando o detector com apenas alguns fótons
Os pesquisadores testaram a resolução espacial de Platon em experimentos de laboratório usando níveis de luz que variam de centenas de fótons detectados a apenas cinco.
Eles avaliaram se o protótipo poderia detectar elétrons e reconstruir sua posição dentro de um bloco de cintilador plástico. Os elétrons foram produzidos usando uma fonte de estrôncio-90.
Numa variedade de condições de teste, as simulações corresponderam de perto às medições laboratoriais, dando aos investigadores a confiança de que os seus modelos descreveram com precisão o desempenho do detector.
Os resultados do primeiro demonstrador já moldaram os planos da equipe para a próxima versão do PLATON.
Tempo mais rápido e maior sensibilidade
Os pesquisadores estão desenvolvendo um novo sensor SPAD projetado para melhorar a eficiência da detecção de fótons e fornecer temporização abaixo de nanossegundos para fótons individuais.
Nos sistemas atuais, os fótons são atribuídos a janelas de tempo específicas. Na versão atualizada, cada fóton detectado terá seu próprio carimbo de data/hora preciso.
Esta informação de tempo adicional pode ajudar o sistema a determinar com mais precisão de onde veio cada fóton e melhorar a reconstrução dos rastros de partículas.
Os pesquisadores otimizaram a câmera plenóptica para expandir seu campo de visão e coletar mais luz. As simulações apresentadas no artigo sugerem que essas mudanças irão melhorar ainda mais a resolução espacial do Platon.
IA reconstrói interações ocultas de partículas
A equipe também usou simulações para estimar o desempenho de um sistema Platon atualizado na detecção de neutrinos.
As simulações incluíram um novo método de processamento de imagens baseado em uma rede neural (NN). O sistema usa uma arquitetura de transformador comumente usada em modelos de linguagem grandes.
Em vez de analisar sons, este transformador examina padrões nos fótons de cintilação registrados pelo detector. Ele foi projetado para detectar correlações entre onde e quando os fótons aparecem, permitindo a reconstrução das principais interações das partículas.
Simulações indicam que um detector Platon sem segmento com (10x10x10) cm vol3 pode realisticamente alcançar resolução espacial abaixo de 1 mm.
Eles também sugerem que o sistema pode detectar interações de neutrinos que produzem prótons de baixo momento no estado final com alta pureza e alta eficiência. Em outras palavras, o detector pode ser capaz de selecionar os eventos desejados enquanto rejeita muitos sinais não relacionados.
Aumentando para um metro cúbico
Os pesquisadores também consideraram como a tecnologia poderia funcionar em detectores maiores.
Devido aos recursos computacionais limitados, eles não puderam executar simulações completas de neutrinos para um bloco de cintiladores indivisos de um metro cúbico. Em vez disso, eles modelaram uma fonte pontual simplificada de fótons.
Simulações sugerem que um detector deste tamanho poderia atingir uma resolução espacial de alguns milímetros, colocando-o no mesmo nível dos detectores cintiladores de plástico de última geração.
O resultado é particularmente notável porque Platon consegue este desempenho sem quebrar o cintilador em milhões de partes individuais.
Os autores acreditam que melhorias adicionais no design óptico e em outras partes do sistema podem eventualmente tornar possível a resolução submilimétrica em detectores do tipo Platon com volumes maiores que 1m.3.
Usos potenciais além da física de partículas
Os pesquisadores da ETH Zurique acreditam que a tecnologia poderá eventualmente ser útil além dos experimentos com neutrinos e colisões de partículas.
Como o PLATON foi projetado para reconstruir a posição de sinais de luz fraca em três dimensões, ele pode melhorar uma ampla gama de sistemas de imagem.
Dieminger, Alonso-Monsalve e Sgalaberna já registraram três patentes separadas envolvendo o uso da tecnologia Platon em tomografia por emissão de pósitrons (PET). PET é um procedimento de imagem médica que rastreia marcadores radioativos dentro do corpo para revelar atividade em órgãos e tecidos.
A patente abrange tanto o design do scanner quanto as técnicas de processamento de imagem, incluindo o NN desenvolvido por Alonso-Monsalve.
A física de partículas tem uma longa história de desenvolvimento de tecnologias que mais tarde encontraram uso mais amplo. A World Wide Web foi criada no CERN, enquanto a terapia de prótons cresceu a partir dos avanços nos aceleradores de partículas e na física da radiação.
Platão pode se tornar outro exemplo de experimento físico que leva a uma tecnologia com importantes aplicações científicas e médicas.
