Fí học đã phát triển một chiếc máy ảnh hoàn toàn mới để phát hiện neutrinos và chất tối

Cách mới đăng ký các hạt cơ bản: từ các bộ phận nặng nhọc đến một camera duy nhất

Nhóm khoa học quốc tế do những nhà vật lý Thụy Sĩ dẫn đầu đã giới thiệu phương pháp cách mạng để phát hiện neutrino và chất tối. Thay vì sử dụng các hệ thống khổng lồ được chia thành hàng nghìn đoạn, họ đã dùng một camera trường ánh sáng kết hợp với cảm biến photon nhạy cao. Cách tiếp cận này làm cho bộ phận trở nên đơn giản và tiết kiệm chi phí, có thể thúc đẩy việc tìm kiếm những hạt khó bắt nắm nhất.

Các bộ phát neutrino truyền thống
Những thiết bị hiện đại để ghi lại dấu vết của sự phân rã neutrino là khối lượng lớn chất lỏng siêu tinh khiết được xuyên qua các cảm biến photon (phát số). Neutrino không tương tác trực tiếp với vật chất vì thiếu điện tích và khối lượng nhỏ, do đó “dấu vết” của chúng chỉ có thể thấy sau khi nguyên tử trong chất lỏng phân rã. Các bộ phát này có thể được làm nhân tạo (ví dụ như trong các bình chứa lớn) hoặc tự nhiên – như ở Baikal, Nam Cực hoặc đáy Biển Địa Trung Hải. Trong cả hai trường hợp, khối lượng được chia thành các khu vực, dẫn đến việc sử dụng hàng chục nghìn cảm biến.

Giải pháp nhỏ gọn và hạn chế của chúng
Đối với các thí nghiệm phòng thí nghiệm có thể dùng những bộ phát nhỏ hơn, nhưng chúng vẫn giữ cấu trúc phân vùng và mạng lưới sợi quang gồm hàng chục nghìn kênh. Độ dày này cho phép ghi lại đường đi của hạt dưới nguyên tử với độ chính xác tới vài phần trăm millimet trong thời gian ngắn. Neutrino va chạm với một nguyên tử, phá vỡ nó thành các hạt nhỏ hơn; theo dấu vết của những mảnh vỡ này, người ta tái tạo “kẻ gây ra” sự kiện.

Công nghệ mới PLATON
Các nhà khoa học từ ETH Zurich và EPFL đã phát triển cảm biến PLATON, không cần phân đoạn vật liệu scintillator. Trong một khối lượng duy nhất, các dấu vết của sự phân rã neutrino được tạo ra và sau đó ghi nhận bằng photon. Một camera thay thế hàng nghìn bộ truyền cảm, giữ lại và thậm chí nâng cao khả năng phân giải.

Camera PLATON sử dụng ma trận kính vi mô, ghi lại không chỉ cường độ ánh sáng mà còn hướng của nó. Điều này cho phép tái tạo đường đi ba chiều của hạt mà không cần phân đoạn vật lý của bộ phát. Các thử nghiệm với nguồn Strontium‑90 (electron) đã xác nhận hiệu quả của phương pháp.

Độ phân giải và mở rộng
Mô phỏng cho thấy, đối với một scintillator kích thước 10 × 10 × 10 cm, hệ thống đạt độ phân giải đường đi dưới 1 mm. Khi mở rộng lên một mét khối (kích thước tiêu chuẩn của các thí nghiệm neutrino), độ chính xác vẫn nằm trong vài millimet – tương đương với những công nghệ hàng đầu thế giới, nhưng với độ phức tạp lắp ráp đáng kể thấp hơn.

Vai trò then chốt trong xử lý hình ảnh là một mạng neural dựa trên kiến trúc Transformer, hiệu quả trong việc tách tín hiệu có ích ra khỏi “tiếng ồn” của photon scintillator.

Triển vọng ứng dụng
Nhà phát triển đã nộp ba bằng sáng chế về việc sử dụng công nghệ PLATON trong chụp cắt lớp PET (chụp tia positron). Nhóm dự đoán rằng những cải tiến tiếp theo trong thiết kế sẽ cho phép đạt được độ phân giải dưới một millimet cho các bộ phát có thể lớn hơn một mét khối – mở ra cơ hội mới cả trong việc tìm kiếm chất tối và trong ứng dụng y tế.