Uma equipe internacional de cientistas, liderada por físicos suíços, apresentou um método revolucionário para a detecção de partículas elementares. Em vez dos tradicionais detectores volumosos divididos em milhares de segmentos, os pesquisadores utilizaram uma única câmara de campo de luz, combinando-a com um sensor de fótons de alta sensibilidade. O detector é simples e barato, o que pode acelerar a detecção de partículas elusivas, como neutrinos e matéria escura.
Fonte da imagem: ETH Zurich
Os detectores modernos para registrar traços do decaimento de neutrinos em partículas elementares consistem em enormes volumes de líquido ultrapuro, perfurados como contas com fotodetectores (fotomultiplicadores). Os neutrinos em si não podem ser detectados diretamente devido às suas propriedades — a ausência de carga e a massa extremamente baixa. Tais volumes podem ser criados artificialmente ou podem ser naturais, como no caso dos observatórios de neutrinos nas águas do Lago Baikal, no gelo da Antártida ou no fundo do Mar Mediterrâneo. Todas essas instalações têm algo em comum: a divisão dos volumes em setores, o que implica o uso de milhares e dezenas de milhares de sensores.
Os detectores para neutrinos e outras partículas de interação fraca, como partículas de baixa energia, podem ser mais compactos para experimentos em laboratórios e centros de pesquisa. No entanto, eles ainda possuem uma estrutura setorial que utiliza fibras ópticas, frequentemente incluindo dezenas de milhares de canais ópticos e sensores. Essa densidade, em volumes relativamente pequenos, possibilita detectar as trajetórias de partículas subatômicas com precisão submilimétrica em intervalos de tempo relativamente curtos. Um neutrino colide com um átomo e o fragmenta em partículas elementares menores, cujos traços são usados para reconstruir o “herói da ocasião”.
Cientistas da ETH Zurich e da EPFL criaram um sensor que não requer a segmentação do volume de trabalho do material cintilador, onde os traços de decaimento do neutrino são criados, causando, em última instância, a excitação detectável de fótons.O sensor chama-se PLATON. Uma única câmera dedicada neste sensor substitui milhares de sensores com a mesma resolução ou até mesmo superior — o que pode avançar significativamente o estudo de partículas com interações fracas.
A câmera PLATON utiliza uma matriz de microlentes que registra não apenas a intensidade, mas também a direção da luz gerada quando partículas carregadas atravessam o volume do cintilador. Este foi um tema extremamente popular há alguns anos. Essencialmente, trata-se de uma câmera de campo de luz. Telas holográficas e até mesmo headsets de realidade virtual foram construídos com base nesse princípio. Quando combinada com sensores capazes de detectar fótons individuais com precisão de nanossegundos, a câmera PLATON permite a reconstrução de trajetórias tridimensionais de partículas sem a necessidade de segmentar fisicamente o detector — dentro do volume monolítico do cintilador. Testes bem-sucedidos em uma fonte emissora de elétrons de estrôncio-90 confirmaram a eficácia do método.
Simulações mostram que, mesmo para um volume de cintilador de 10 × 10 × 10 cm, o sistema alcançará uma resolução de trajetória de partículas inferior a 1 mm. Ao reduzir a escala para um metro cúbico (um tamanho fundamental para experimentos com neutrinos), a resolução permanecerá em um nível de vários milímetros, comparável aos melhores análogos globais, mas com uma complexidade de fabricação do sistema incomparavelmente menor. Um papel fundamental no processamento de imagens foi desempenhado por uma rede neural baseada na arquitetura Transformer, que extraiu efetivamente sinais úteis do “ruído” dos fótons de cintilação.
Além disso, a nova abordagem já vai além da ciência fundamental. Os autores do desenvolvimento registraram três patentes.O uso da tecnologia PLATON na tomografia por emissão de pósitrons (PET). A equipe espera que o trabalho futuro no projeto do detector abra caminho para uma resolução submilimétrica em detectores maiores que um metro cúbico — tanto para a busca de matéria escura quanto para diagnósticos médicos de próxima geração.