Фізиків розробили зовсім нову камеру для виявлення нейтрин та темної матерії

Новий спосіб реєстрації елементарних частинок: від громіздких детекторів до однієї камери

Міжнародна група учених під керівництвом швейцарських фізиків представила революційний метод виявлення нейтрино та темної матерії. Замість звичних масивних систем, розбитих на тисячі сегментів, вони використали єдину камеру світлового поля у поєднанні з високочутливим фотонним датчиком. Такий підхід робить детектор простим і економічним, що може прискорити пошук найнеуловимих частинок.

Традиційні нейтринні детектори
Сучасні установки для реєстрації слідів розпаду нейтрино — це величезні об’єми надчистої рідини, пронизані фотодетекторами (фотоумножниками). Нейтрино не взаємодіють безпосередньо з речовиною через відсутність заряду та малу масу, тому їх «сліди» видимі лише після розпаду атомів у рідині. Такі детектори можуть бути штучними (наприклад, у великих резервуарах) або природними – як у Байкалі, Антарктиці чи на дні Середземного моря. У обох випадках об’єм розбивається на сектора, що призводить до використання десятків тисяч датчиків.

Компактні рішення та їх обмеження
Для лабораторних експериментів можна використовувати більш компактні детектори, але вони все одно зберігають секторну структуру і оптоволоконну мережу із десятків тисяч каналів. Така щільність дозволяє фіксувати траєкторії субатомних частинок з точністю до сотих міліметра за короткий час. Нейтрино зіткнеться з атомом, розбиваючи його на більш дрібні частинки; по слідах цих розломів воссоздається «винахідник» події.

Нова технологія PLATON
Учені з ETH Zurich і EPFL розробили датчик PLATON, який не потребує сегментації сцінтиляторного матеріалу. У всьому одному об’ємі створюються сліди розпаду нейтрино, які потім реєструються фотонами. Одна камера замінює тисячі сенсорів, зберігаючи й навіть підвищуючи роздільну здатність.

Камера PLATON використовує матрицю мікролінз, що фіксує не лише інтенсивність світла, а й його напрямок. Це дозволяє відновлювати тривимірну траєкторію частинки без фізичної сегментації детектора. Тести на джерелі стронція‑90 (електрони) підтвердили ефективність методу.

Роздільна здатність і масштабування
Моделювання показує, що для сцінтилятору розміром 10 × 10 × 10 см система досягає роздільної здатності тракту менше 1 мм. При збільшенні до одного кубічного метра (стандартний розмір нейтринних експериментів) точність залишається в межах кількох міліметрів – порівнянна з найкращими світовими аналогами, але при значно меншій складності збірки.

Ключову роль у обробці зображень грає нейронна мережа на основі архітектури Transformer, яка ефективно виділяє корисні сигнали із «шуму» сцінтиляторних фотонів.

Перспективи застосування
Розробники вже подали три патенти на використання технології PLATON у позитронно‑емісійній томографії (ПЕТ). Команда очікує, що подальші удосконалення дизайну дозволять досягти субміліметрової роздільної здатності для детекторів об’ємом понад один кубічний метр – відкриваючи нові можливості як у пошуку темної матерії, так і в медичних застосуваннях.