Co kdybychom přestali stavět detektory jako LEGO?

Představ si, že hledáš jehlu v kupce sena. Teď si představ, že ta jehla je plachá a skoro se nikomu neukazuje, a celá kupka sena má velikost paneláku. Přibližně takhle vypadá každodenní práce fyziků částic, kteří loví neutrina, kandidáty na temnou hmotu a další částice, které procházejí hmotou jako duchové — tedy téměř bez stopy.

Problém je, že nástroje na lovení těchto částic se stávají absurdně složitými. Miliony miniaturních krychliček, tisíce křehkých optických vláken, fotonásobičové trubice, které by tvůj smartphone摄像头 (optický senzor — pozn. překl.) proměnily ve hračku z osmdesátých let.

Detektory, které berou dech — a peněženku

Takhle nějak to funguje v praxi. T2K experiment v Japonsku — jeden z nejvýznamnějších výzkumů neutrin na světě — používá detektor o hmotnosti zhruba dvou tun. Uvnitř najdeš asi dva miliony jednotlivých kostek a 60 tisíc vláken, které společně zjišťují, kam částice letěla a co provedla.

Je to ohromující inženýrství, to musím uznat. Ale je tu nepohodlná pravda: jak se snažíme stavět větší a lepší detektory, narážíme na zeď. Výroba, montáž a odečítání milionů miniaturních součástek není jen náročná — stává se to obrovským problémem z hlediska technologie i rozpočtu.

A co kdybychom to vzdali a začali znovu?

Přesně tuhle otázku si položili výzkumníci na ETH Curych a EPFL. Jejich odpověď? Převrátit celý přístup naruby.

Místo dělení detektoru na miliony malých segmentů — co kdybychom použili kamery a zjistili, odkud světlo uvnitř velkého, celistvého bloku materiálu přesně přichází?

Tady to začíná být opravdu zajímavé.

Půjčujeme si od fotografů

Tým ve složení PhD student Till Dieminger, Dr. Saúl Alonso-Monsalve, profesor Davide Sgalaberna a profesor Edoardo Charbon se inspiroval takzvanou light field fotografií. Možná pamatuješ Lytro — společnost, která před deseti lety zkoušela přinést light field kamery na spotřebitelský trh. Princip je jednoduchý, ale geniální.

Běžné kamery zaznamenávají, jak je světlo jasné. Light field kamery zaznamenávají něco navíc: směr, odkud světlo přichází. Děje se tak pomocí miniaturního pole čoček umístěného mezi hlavní objektiv a senzor. Každá malá čočka vidí scénu z mírně odlišného úhlu, a když se všechny tyto informace zkombinují, můžete rekonstruovat trojrozměrný obraz — včetně informací o hloubce.

A tady přichází ta vzrušující část pro fyziku částic.

Lov jednotlivých fotonů

Uvnitř scintilačního detektoru — materiálu, který zableskne, když jím projde nabitá částice — může být produkované světlo neuvěřitelně slabé. Mluvíme třeba jen o hrstce fotonů.

Tým z ETH Curych a EPFL spároval svou light field kameru s ultrasenzitivním senzorem SwissSPAD2 — polem jednofotonových lavinových diod, které dokáže detekovat jednotlivé fotony. Když zkombinujete schopnost počítat fotony s informacemi o hloubce z light field fotografie, dostanete něco pozoruhodného: možnost rekonstruovat kde bylo světlo vytvořeno uvnitř velkého, nesegmentovaného bloku materiálu.

Žádné miliony krychliček. Žádné tisíce vláken. Jen pevný kus scintilátoru a trochu chytré optiky.

Proč je to důležité

Buďme jasní: jde zatím o prototyp a před námi je spousta práce, než uvidíme tuto technologii v velkých experimentech. Ale důsledky jsou významné.

Za prvé, škálovatelnost. Když chcete větší detektor tradičními metodami, potřebujete víc součástek. S tímto přístupem v podstatě zvětšujete velikost scintilačního bloku a vylepšujete kamerový systém — fundamentálně odlišná inženýrská výzva.

Za druhé, přesnost. Simulace a rané testy naznačují, že systém by mohl dosáhnout sub-milimetrového prostorového rozlišení, konkurenceschopného se segmentovanými detektory, ale bez jejich složitosti.

Za třetí, a to je možná nejdůležitější, toto by mohlo otevřít nové možnosti pro detekci slabě interagujících částic, jako jsou neutrina nebo potenciální kandidáti na temnou hmotu. Tyto částice jsou tak nepolapitelné, že potřebujeme každou výhodu, kterou můžeme získat.

Nový pohled na starý problém

Co mě na této práci fascinuje nejvíc, není jen technologie — je to filozofie. Fyzici částic stavějí čím dál složitější segmentované detektory už desítky let, a ten přístup přinesl neuvěřitelné objevy. Ale čas od času přijde někdo a zeptá se: "Co kdybychom o tom přemýšleli úplně jinak?"

Přesně to udělal tým PLATON. Nesnažili se postavit lepší segmentovaný detektor. Zeptali se, co by se stalo, kdybychom segmentaci zcela opustili a místo toho použili moderní zobrazovací technologie.

Zda se tento konkrétní přístup škáluje na požadavky experimentů další generace, zůstává otázkou. Ale nápady jako tento jsou přesně to, co udržuje fyziku částic v pohybu. Někdy ty největší průlomy nepřicházejí od větších přístrojů, ale chytřejších.

Budu to sledovat zblízka. Příštích pár let nám prozradí, zda mají light field kamery skutečnou budoucnost v honbě za nejhůře polapitelnou kořistí fyziky.