Når fysikere jagter spøgelser — med kameraer

Har du nogensinde prøvet at finde en nål i en høstak? Forestil dig nu, at nålen er så genert, at den næsten ikke snakker med nogen. Og at høstakken er på størrelse med en stor bygning.

Sådan har partikelfysikere det hver dag, når de leder efter neutrinoer, mørkt stof og andre spøgelsepartikler, der suser gennem almindelig materia uden at efterlade sig spor.

Problemet er bare, at jagtredskaberne er blevet absurd indviklede. Tænk millioner af små terninger, tusindvis af skrøbelige optiske fibre og fotomultiplikatorer, der får dit smartphonekamera til at ligne noget fra 80'erne.

Det moderne detektorproblem

Lad mig male et billede. T2K-eksperimentet i Japan — en af verdens førende neutrino-studier — bruger en detektor med omkring to ton følsomt materiale. Indeni den finder du cirka to millioner individuelle terninger og 60.000 fibre, der arbejder sammen om at regne ud, hvor en partikel har været, og hvad den har lavet.

Imponerende ingeniørarbejde, ærligt talt. Men her kommer ubehageligheden: Når vi prøver at bygge større og bedre detektorer, rammer vi en mur. At fremstille, samle og aflæse millioner af små komponenter er ikke bare svært — det er ved at blive en kæmpe flaskehals både teknologisk og økonomisk.

Hvad hvis vi slet ikke behøvede at dele tingene op?

Det er præcis det spørgsmål, forskere fra ETH Zurich og EPFL besluttede sig for at undersøge. Og deres svar? Vend hele tilgangen på hovedet.

I stedet for at opdele en detektor i millioner af små segmenter — hvad hvis man kunne bruge kameraer til at finde ud af, hvor lyset opstod inde i en stor, sammenhængende blok materiale?

Her bliver det virkelig smart.

Lånte idéer fra fotoverdenen

Teamet — ledet af ph.d.-studerende Till Dieminger, Dr. Saúl Alonso-Monsalve, professor Davide Sgalaberna og professor Edoardo Charbon — hentede inspiration fra det, man kalder "light field-fotografering." Du har måske hørt om Lytro, virksomheden der for et årti siden forsøgte at bringe denne teknologi til forbrugerne.

Konceptet er simpelt, men kraftfuldt. Almindelige kameraer optager, hvor lyst noget lys er. Light field-kameraer optager noget mere: retningen lyset kom fra. Det gør de ved hjælp af et lille linsenarray mellem hovedlinsen og sensoren. Hver lille linse ser scenen fra en lidt anden vinkel, og når man kombinerer al den information, kan man genskabe et tredimensionelt billede — inklusive dybdeinformation.

Og her bliver partikelfysik spændende.

At fange enkelte fotoner

Indeni en scintillator-detektor — det materiale, der glimter, når en ladet partikel passerer igennem — kan lyset være utrolig svagt. Vi taler om kun en håndfuld fotoner i nogle tilfælde.

ETH Zurich og EPFL-teamet parrede deres light field-kamera med en ultrasensitiv sensor kaldet SwissSPAD2 — et single-photon avalanche diode-array, der kan detektere enkelte fotoner. Når man kombinerer denne evne til at tælle fotoner med dybdeinformationen fra light field-fotografering, sker der noget bemærkelsesværdigt: Man kan genskabe hvor lyset blev skabt inde i en stor, usegmenteret blok materiale.

Ingen millioner af terninger. Ingen tusindvis af fibre. Bare et solidt stykke scintillator og noget meget smart optik.

Hvorfor det betyder noget

Lad mig slå fast, hvad der sker her. Det er stadig en prototype, og der er masser af arbejde foran os, før vi ser denne teknologi i store eksperimenter. Men implikationerne er betydelige.

For det første: Skalering. Hvis du vil have en større detektor med traditionelle metoder, har du brug for flere komponenter. Med denne tilgang skalerer du hovedsageligt størrelsen på scintillatorblokken og forbedrer dit kamerasystem — en fundamentalt anderledes ingeniørudfordring.

For det andet: Præcision. Simuleringerne og de tidlige tests tyder på, at systemet kan opnå sub-millimeter rumlig opløsning — konkurrencedygtigt med segmenterede detektorer, men uden deres kompleksitet.

For det tredje — og måske vigtigst — kunne dette åbne nye muligheder for at detektere svagt interagerende partikler som neutrinoer eller mulige mørke stof-kandidater. Disse partikler er så undvigende, at vi har brug for enhver fordel, vi kan få.

En frisk vinkel på et gammelt problem

Det, jeg finder mest fascinerende ved dette arbejde, er ikke kun teknologien — det er filosofien. Partikelfysikere har bygget stadig mere avancerede segmenterede detektorer i årtier, og den tilgang har leveret utrolige opdagelser. Men en gang imellem kommer nogen forbi og spørger: "Hvad hvis vi tænkte helt anderledes over det her?"

Præcis det gjorde PLATON-teamet. De prøvede ikke at bygge en bedre segmenteret detektor. De spurgte, hvad der ville ske, hvis vi opgav segmentering helt og brugte moderne bildeteknologi i stedet.

Om denne specifikke tilgang kan skaleres til kravene i næste generations eksperimenter, må vi se. Men idéer som denne er præcis det, der holder partikelfysikken i bevægelse fremad. Nogle gange kommer de største gennembrud ikke fra større instrumenter, men fra klogere.

Jeg holder øje med den her. De næste par år vil vise, om light field-kameraer har en fremtid i jagten på fysikkens mest undvigende bytte.