Исследователи разработали новаторский детектор для изучения антиматерии, используя модифицированные сенсоры от камер смартфонов. Эта технология позволяет в реальном времени с высокой точностью визуализировать точки, где античастицы, в данном случае антипротоны, аннигилируют при столкновении с веществом. Разработка велась командой под руководством профессора Кристофа Хугеншмидта из Технического университета Мюнхена (TUM) и исследовательского нейтронного источника FRM II.
В основе детектора лежат коммерческие оптические сенсоры изображения, аналогичные тем, что используются в мобильных телефонах, с размером пикселей менее 1 микрометра. Для адаптации сенсоров к задаче регистрации частиц потребовалось удалить их верхние слои, что стало возможным благодаря высококлассным навыкам в области электронного дизайна и микроинженерии. Ранее уже была продемонстрирована способность таких сенсоров регистрировать низкоэнергетические позитроны в реальном времени с высоким разрешением.
Новый детектор достиг пространственного разрешения около 0.6 микрометра при визуализации аннигиляции антипротонов, что в 35 раз превосходит предыдущие методы регистрации в реальном времени. Установка объединяет 60 таких сенсоров, обеспечивая общее разрешение в 3840 мегапикселей – самое высокое на сегодняшний день для любого детектора изображений. В отличие от ранее использовавшихся фотопластинок, новый детектор работает в реальном времени, обеспечивает самокалибровку, предоставляет диагностическую информацию и имеет хорошую поверхность для сбора частиц, сохраняя при этом разрешение на уровне фотопластинок.
Высокое разрешение детектора позволяет не только точно определять место аннигиляции, но и различать типы образующихся при этом вторичных частиц. Измеряя ширину треков, оставленных частицами (например, протонами или пионами), можно идентифицировать фрагменты аннигиляции, что дает дополнительную информацию о процессе.
Эта технология создана для эксперимента AEgIS (Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy), проводимого в ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям) на Фабрике антиматерии. Как пояснил представитель коллаборации AEgIS Руджеро Каравита, основная цель эксперимента – с высокой точностью измерить ускорение свободного падения антиводорода в гравитационном поле Земли.
Для достижения этой цели в AEgIS создается горизонтальный пучок атомов антиводорода. Его вертикальное смещение под действием гравитации измеряется с помощью муарового дефлектометра, который выявляет малейшие отклонения траектории, и нового детектора, который регистрирует точные координаты аннигиляции атомов антиводорода на его поверхности. Эксперимент требует детектора с исключительно высоким пространственным разрешением, которое и было достигнуто. AEgIS является одним из нескольких экспериментов на Фабрике антиматерии ЦЕРН (наряду с ALPHA и GBAR), работающих над схожими задачами с использованием различных методик.
Хотя детектор уже успешно продемонстрировал свои возможности при работе с антипротонами, его конечная цель – прямое применение для регистрации аннигиляции антиводорода. Технология открывает путь для новых исследований низкоэнергетической аннигиляции античастиц.
Неожиданную, но решающую роль в достижении высокого разрешения сыграл краудсорсинг. Коллеги по эксперименту AEgIS вручную анализировали изображения с детектора, определяя положения точек аннигиляции антипротонов. Как отметил Франческо Гуатьери, главный исследователь в работе, опубликованной в Science Advances, было обработано более 2500 изображений.
Выяснилось, что на данном этапе человеческая интуиция и способность распознавать сложные паттерны превосходят автоматические алгоритмы. Ручной анализ оказался значительно точнее и надежнее машинного при определении координат аннигиляции на изображениях со сложным фоном.
Однако этот метод имеет существенный недостаток – он чрезвычайно трудоемок. Обработка одного набора данных одним сотрудником могла занимать до 10 часов рабочего времени.
Несмотря на сложности с анализом данных, создание детектора на основе сенсоров от смартфонов считается прорывной технологией. Она имеет решающее значение для наблюдения мельчайших смещений антиводорода под действием гравитации, открывая новые перспективы в изучении взаимодействия антиматерии с гравитационным полем.
Изображение носит иллюстративный характер
В основе детектора лежат коммерческие оптические сенсоры изображения, аналогичные тем, что используются в мобильных телефонах, с размером пикселей менее 1 микрометра. Для адаптации сенсоров к задаче регистрации частиц потребовалось удалить их верхние слои, что стало возможным благодаря высококлассным навыкам в области электронного дизайна и микроинженерии. Ранее уже была продемонстрирована способность таких сенсоров регистрировать низкоэнергетические позитроны в реальном времени с высоким разрешением.
Новый детектор достиг пространственного разрешения около 0.6 микрометра при визуализации аннигиляции антипротонов, что в 35 раз превосходит предыдущие методы регистрации в реальном времени. Установка объединяет 60 таких сенсоров, обеспечивая общее разрешение в 3840 мегапикселей – самое высокое на сегодняшний день для любого детектора изображений. В отличие от ранее использовавшихся фотопластинок, новый детектор работает в реальном времени, обеспечивает самокалибровку, предоставляет диагностическую информацию и имеет хорошую поверхность для сбора частиц, сохраняя при этом разрешение на уровне фотопластинок.
Высокое разрешение детектора позволяет не только точно определять место аннигиляции, но и различать типы образующихся при этом вторичных частиц. Измеряя ширину треков, оставленных частицами (например, протонами или пионами), можно идентифицировать фрагменты аннигиляции, что дает дополнительную информацию о процессе.
Эта технология создана для эксперимента AEgIS (Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy), проводимого в ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям) на Фабрике антиматерии. Как пояснил представитель коллаборации AEgIS Руджеро Каравита, основная цель эксперимента – с высокой точностью измерить ускорение свободного падения антиводорода в гравитационном поле Земли.
Для достижения этой цели в AEgIS создается горизонтальный пучок атомов антиводорода. Его вертикальное смещение под действием гравитации измеряется с помощью муарового дефлектометра, который выявляет малейшие отклонения траектории, и нового детектора, который регистрирует точные координаты аннигиляции атомов антиводорода на его поверхности. Эксперимент требует детектора с исключительно высоким пространственным разрешением, которое и было достигнуто. AEgIS является одним из нескольких экспериментов на Фабрике антиматерии ЦЕРН (наряду с ALPHA и GBAR), работающих над схожими задачами с использованием различных методик.
Хотя детектор уже успешно продемонстрировал свои возможности при работе с антипротонами, его конечная цель – прямое применение для регистрации аннигиляции антиводорода. Технология открывает путь для новых исследований низкоэнергетической аннигиляции античастиц.
Неожиданную, но решающую роль в достижении высокого разрешения сыграл краудсорсинг. Коллеги по эксперименту AEgIS вручную анализировали изображения с детектора, определяя положения точек аннигиляции антипротонов. Как отметил Франческо Гуатьери, главный исследователь в работе, опубликованной в Science Advances, было обработано более 2500 изображений.
Выяснилось, что на данном этапе человеческая интуиция и способность распознавать сложные паттерны превосходят автоматические алгоритмы. Ручной анализ оказался значительно точнее и надежнее машинного при определении координат аннигиляции на изображениях со сложным фоном.
Однако этот метод имеет существенный недостаток – он чрезвычайно трудоемок. Обработка одного набора данных одним сотрудником могла занимать до 10 часов рабочего времени.
Несмотря на сложности с анализом данных, создание детектора на основе сенсоров от смартфонов считается прорывной технологией. Она имеет решающее значение для наблюдения мельчайших смещений антиводорода под действием гравитации, открывая новые перспективы в изучении взаимодействия антиматерии с гравитационным полем.
