Новая система визуализации открывает путь к наблюдению нейтрино в реальном времени
Швейцарские исследователи представили новую технологию визуализации, которая потенциально способна «снимать» одни из самых трудноуловимых частиц во Вселенной — нейтрино. Разработанный ими детектор, получивший название PLATON, позволяет получать трёхмерные изображения с высоким разрешением и высокой скоростью, фиксируя поведение частиц внутри крупных объёмов материала. В основе системы лежит массив микролинз, работающих как крошечные камеры и реконструирующих световые поля, создаваемые частицами.
Отслеживание и трёхмерная визуализация частиц внутри материалов является ключевым элементом экспериментов в области физики частиц. Обычно этот процесс осуществляется за счёт точной сегментации сцинтилляционного материала — вещества, которое испускает световые вспышки при взаимодействии с ионизированными частицами — на множество небольших активных элементов. Когда заряженные частицы проходят через такие элементы, они вызывают свечение, которое затем улавливается оптоволоконными системами и передаётся к фотодетекторам, часто выполненным на основе кремния.
Существующие установки демонстрируют масштабность подобных систем. Например, в японском эксперименте T2K используется сцинтиллятор массой около двух тонн, состоящий почти из двух миллионов элементов и 60 тысяч оптических волокон. В то же время эксперимент LHCb в CERN достигает субмиллиметрового пространственного разрешения благодаря миллионам сверхтонких сцинтиллирующих волокон. Однако такие подходы показывают, что сегментация материала может стать ограничивающим фактором при работе с ещё большими объёмами.
Команда учёных из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Лозанны предложила альтернативный метод, позволяющий отказаться от сегментации. Их решение основано на плёнооптической визуализации, также известной как съёмка светового поля. В отличие от традиционных камер, такие системы фиксируют не только интенсивность света, но и направление его распространения, что позволяет восстанавливать глубину сцены.
Ключевым элементом технологии является массив микролинз, размещённый между объективом и сенсором изображения. Каждая микролинза функционирует как отдельная мини-камера, регистрируя параметры светового потока. Это даёт возможность точно картировать распределение света в пространстве, определяя как положение, так и направление движения частиц.
Дополнительную роль играет использование сенсоров на основе лавинных фотодиодов, способных регистрировать одиночные фотоны — так называемых SPAD. Они позволяют отслеживать каждый фотон по отдельности, существенно повышая разрешающую способность системы даже при крайне слабом освещении. В разработке использован датчик SwissSPAD2, отличающийся системой временной фильтрации, которая выделяет интервалы, где сигнал превышает шум.
Для оценки эффективности PLATON исследователи провели серию экспериментов и симуляций. Прототип устройства тестировался на способности фиксировать и восстанавливать положение электронов внутри пластикового сцинтиллятора при использовании источника стронция-90. Результаты показали хорошее совпадение между экспериментальными измерениями и компьютерным моделированием.
Кроме того, учёные смоделировали работу улучшенной версии системы для регистрации нейтрино. В этих расчётах использовались современные методы обработки изображений на основе нейросетей с архитектурой трансформера, способные эффективно выявлять корреляции между зарегистрированными фотонами. Такие алгоритмы повышают точность реконструкции событий.
Согласно полученным результатам, система PLATON способна обеспечить пространственное разрешение менее одного миллиметра в объёме сцинтиллятора размером 10×10×10 сантиметров. Это позволяет с высокой точностью и эффективностью выделять взаимодействия нейтрино с протонами даже при низком импульсе, что ранее считалось крайне сложной задачей.
Разработчики также отмечают, что технология может найти применение за пределами фундаментальной физики, включая развитие передовых методов визуализации. На данный момент команда уже подала три патента, охватывающих как саму концепцию детектирования, так и методы последующей обработки изображений.
Исследование в журнале Nature Communications.