No centro de muitos mistérios não resolvidos da física estão partículas minúsculas e de interação fraca que requerem métodos de detecção de carga pesada. Isto torna-os difíceis de visualizar, pelo que os cientistas encontram formas indiretas de monitorizar o movimento das partículas, normalmente utilizando máquinas gigantes e caras que demoram tempo a processar dados. Mas uma proposta – um protótipo menor, semelhante a uma câmera – visa resolver esses problemas.
Em um recente Comunicações da Natureza No estudo, pesquisadores da ETH Zurique e da EPFL na Suíça relatam os resultados do primeiro protótipo de um detector de partículas alternativo que “permite imagens tridimensionais ultrarrápidas de alta resolução”, de acordo com o artigo. O demonstrador, denominado PLATON, é um sistema de detecção monolítico composto por um bloco cintilador e uma câmera 3D. A configuração é simples, mas uma combinação de software program authentic e redes neurais ajuda a melhorar a resolução da imagem 3D.
“O resultado é uma simplificação da construção de um detector de partículas e, talvez surpreendentemente, a excelente resolução espacial 3D que pode ser alcançada [with the simple setup]”, Davide Sgalabernafísico da ETH Zurique e do CERN, disse ao Gizmodo por e-mail. “Nosso demonstrador abre caminho para uma abordagem completamente nova para detectar neutrinos e, mais em geral, partículas elementares.”
Os neutrinos são partículas sem carga e quase sem massa que existem em extrema abundância no universo. Apelidadas de “partículas fantasmas”, elas são importantes porque, apesar de sua abundância, são tão difíceis de detectar que não há muito que os físicos saibam ao certo sobre elas.
Na prática, a primeira aplicação do PLATON será como scanner de corpo inteiro para fins médicos. No entanto, é facilmente escalável, por isso deverá eventualmente provar ser útil na física de partículas, explicou a equipe em um artigo. declaração.
Rastreando o quase invisível
Cintiladores são materiais que convertem radiação de alta energia, como raios X ou raios gama, em luz visível ou quase visível. Na física de partículas, materiais cintilantes em um detector converter radiação de pequenas partículas de alta energia em sinais de luz. Esses “calorímetros” param partículas e medem sua perda de energia, dando aos pesquisadores as informações necessárias para analisar seu comportamento, segundo CERN.
“Normalmente, para rastrear em 3D essa infinidade de partículas no cintilador, é necessário segmentar o cintilador em muitos voxels minúsculos (por exemplo, cubos de 1 cm³) entre vários milhares e milhões”, explicou Sgalaberna. “No entanto, o tamanho dos voxels, [or] a granularidade da segmentação limita a resolução espacial da imagem.”
Na verdade, as principais instituições empregam um grande número de cintiladores (que não são necessariamente sólido o tempo todo). Por exemplo, o Experimento T2K no Japão possui cerca de duas toneladas de materiais cintilantes na forma de dois milhões de cubos e 60 mil fibras ópticas. Os gigantescos detectores do CERN também possuem milhões de fibras ópticas finas e cintilantes. Isso fornece aos físicos dados de primeira linha, mas e se essas configurações pudessem ser mais simples?
Tecnologia mais tecnologia
O último protótipo traz um cintilador para um esquema de câmera plenóptica. Também conhecido como câmeras de campo claroas câmeras plenóticas possuem um pequeno conjunto de microlentes, cada uma atuando como uma pequena câmera para reconstruir a profundidade e a intensidade do campo de luz. De acordo com o comunicado, combinadas com um sensor especializado de fóton único, as câmeras plenópticas têm um potencial bom e pouco explorado para rastreamento 3D de alta resolução de partículas elementares.
Então foi exatamente isso que os pesquisadores fizeram; depois de desenvolver e montar uma câmera personalizada, um conjunto de microlentes e um sensor de fóton único, a equipe conduziu experimentos empíricos e de simulação com seu novo detector. Nos testes de laboratório, a equipe reconstruiu com sucesso as posições dos elétrons de uma fonte baseada em estrôncio, confirmando que, como se suspeitava, esta configuração poderia detectar partículas de forma viável.
Pequenas escalas, grandes desafios
Usando esses resultados, os pesquisadores realizaram uma análise baseada em simulação de como os neutrinos – partículas fundamentais sem carga e quase sem massa – se comportariam em um detector PLATON. As simulações demonstraram que o detector poderia rastrear essas minúsculas partículas até uma resolução de 200 micrômetros, explicou o artigo. Um modelo de aprendizagem profunda auxiliou no pós-processamento de grandes cargas de dados. No geral, os resultados finais, informou Sgalaberna ao Gizmodo, foram “excelentes”.
“Queríamos caracterizar a resolução da câmera 3D com experimentos bem controlados e, mais importante, reproduzir os resultados em nossa simulação óptica personalizada”, acrescentou. Dito isto, como acrescentam os pesquisadores no artigo, ainda existem muitos desafios técnicos a serem enfrentados para que a tecnologia do estilo PLATON realmente trigger impacto no cenário da física de partículas.
Ainda assim, existem algumas vantagens óbvias no design do detector, como o facto de não necessitar de “grandes infra-estruturas criogénicas” típicas dos detectores de partículas. Se a equipa cumprir as suas promessas, o novo protótipo poderá ser revolucionário em termos de escalabilidade e resoluções de imagem sem precedentes, que são, como disse Sgalaberna, “chave para futuras experiências de física de partículas – não apenas aquelas relacionadas com neutrinos”.
