מצלמה חדשה עוקבת אחרי חלקיקים בלתי נראים בתלת־ממד

צוותי מחקר מ-ETH ציריך ומ-EPFL בלוזאן הציגו גישה חדשה לזיהוי חלקיקים יסודיים, שעשויה לשנות את הדרך שבה בונים גלאים לניסויי פיזיקה. במקום לפרק את הגלאי למספר עצום של יחידות זעירות, החוקרים בנו מערכת שמבוססת על גוש אחד של חומר פולט־אור, מצלמה מיוחדת שקולטת לא רק את עוצמת האור אלא גם את כיוונו, וחיישנים המסוגלים לזהות פוטונים בודדים. כך ניתן לשחזר במהירות את מסלול החלקיק בתוך החומר בתמונה תלת־ממדית מפורטת.

המערכת, שנקראת PLATON, נועדה להתמודד עם אחת הבעיות המוכרות בפיזיקת חלקיקים: איך לגלות אירועים נדירים וחמקמקים, כמו אינטראקציות של נייטרינו או מועמדים מסוימים לחומר אפל, בלי לבנות מערכות מורכבות ויקרות עד כדי כך שהן הופכות לקשות מאוד לייצור ולהפעלה. התוצאות הראשונות, שפורסמו בכתב העת Nature Communications, כוללות גם הדגמה ניסויית של אבטיפוס וגם סדרת סימולציות נרחבת.

למה גלאי חלקיקים הפכו למכונות מסובכות כל כך

בניסויי פיזיקה מודרניים, החוקרים צריכים לדעת לא רק אם חלקיק עבר בגלאי, אלא גם היכן בדיוק הוא עבר, באיזה כיוון, ומה הייתה האנרגיה שנשא. אחת הדרכים המקובלות לעשות זאת היא להשתמש בסינטילטור — חומר שפולט הבזקי אור זעירים כאשר חלקיק טעון חולף דרכו.

כדי להבין מאיפה הגיע האור, נהוג לחלק את החומר למיליוני תאים קטנים, ולאסוף מכל תא את הפוטונים באמצעות סיבים אופטיים וחיישנים. השיטה הזאת מדויקת מאוד, אבל ככל שהגלאי גדל, גם מספר הרכיבים מזנק. כך, למשל, בניסויי נייטרינו ובמאיצי חלקיקים כבר נעשה שימוש במערכות שמבוססות על מיליוני סיבים או קוביות זעירות. המחיר הוא צוואר בקבוק הנדסי וכלכלי: ייצור, הרכבה, קריאה ותחזוקה של כמות עצומה של חלקים.

במקום מיליוני תאים: בלוק אחד ומצלמת שדה־אור

כאן נכנסת הגישה החדשה. החוקרים, ובהם תלמיד הדוקטורט טיל דימינגר, ד"ר סאול אלונסו-מונסלבה, פרופ' דוידה סגלברנה ועמיתיהם מ-ETH, יחד עם צוות המעבדה לארכיטקטורה קוונטית מתקדמת ב-EPFL בראשות פרופ' אדוארדו שרבון, ביקשו לבדוק אם אפשר לוותר על החלוקה הפנימית של הגלאי כמעט לחלוטין.

הפתרון נשען על מצלמת שדה־אור, או מצלמה פלנופטית. בשונה ממצלמה רגילה, שמודדת בעיקר את עוצמת האור שמגיעה אל החיישן, כאן נאסף גם מידע על הכיוון שממנו הגיע האור. הדבר מתאפשר בעזרת מערך של עדשות מיקרוסקופיות המותקן בין העדשה הראשית לחיישן. כל עדשה זעירה "רואה" את אותה הסצנה מזווית מעט שונה, והמערכת מחברת את כל המידע כדי לשחזר תמונה מרחבית של מקור האור.

במקרה של גלאי חלקיקים, זה חשוב במיוחד משום שההבזקים בתוך הסינטילטור חלשים מאוד. לכן המצלמה חוברה לחיישן SPAD, חיישן רגיש במיוחד שמסוגל לזהות פוטונים בודדים. האבטיפוס נבנה סביב חיישן בשם SwissSPAD2, שפותח ב-EPFL, ואילו חברת Raytrix תכננה את מערך העדשות והתקינה אותו ישירות על החיישן.

גם חמישה פוטונים הספיקו לניסוי

החוקרים בחנו את היכולת של PLATON לשחזר מיקום במעבדה בתנאי אור משתנים במיוחד — החל מכמה מאות פוטונים שנקלטו ועד חמישה בלבד. בנוסף הם בדקו אם ניתן לזהות אלקטרונים ולשחזר את מיקומם בתוך גוש של סינטילטור פלסטי, באמצעות מקור סטרונציום-90.

אחד הממצאים החשובים היה ההתאמה ההדוקה בין המדידות במעבדה לבין הסימולציות. מבחינת החוקרים, זו אינדיקציה לכך שהמודלים שבהם השתמשו מתארים היטב את ביצועי הגלאי, ולכן אפשר להסתמך עליהם גם בשלב התכנון של הדור הבא.

חותמת זמן לכל פוטון ובינה מלאכותית לשחזור המסלול

המערכת הנוכחית כבר יודעת לעבוד בחלונות זמן מוגדרים מראש, כך שהחיישן קולט פוטונים רק בפרקי זמן שבהם סביר שיופיע אור אמיתי מהסינטילטור. כך אפשר לצמצם רעש רקע ואותות אקראיים. כעת מפתחים החוקרים חיישן SPAD חדש, שאמור לשפר את יעילות הקליטה ולאפשר תזמון ברמת תת־ננו־שנייה לכל פוטון בנפרד.

המשמעות היא שלא רק מיקום האור יהיה ידוע, אלא גם זמן ההגעה המדויק של כל פוטון. השילוב בין מרחב לזמן אמור לשפר עוד יותר את שחזור המסלול של החלקיק.

לצד החומרה, הקבוצה פיתחה גם שיטת עיבוד תמונה מבוססת רשת נוירונים. החוקרים השתמשו בארכיטקטורת Transformer, מאותה משפחה חישובית שמוכרת ממודלי שפה גדולים, אך כאן היא אינה מנתחת מילים אלא דפוסים של פוטונים: היכן הופיעו ומתי. המטרה היא לזהות את הקשרים בין ההבזקים השונים ולבנות מהם מחדש את האינטראקציה הפיזיקלית שהתרחשה בתוך הגלאי.

מה אפשר יהיה לעשות עם PLATON

לפי הסימולציות שהציג הצוות, גלאי PLATON לא מחולק בנפח של 10 על 10 על 10 סנטימטרים עשוי להגיע לרזולוציה מרחבית של פחות ממילימטר — נתון שממקם אותו ברמה תחרותית מאוד מול גלאים קיימים, אך עם פשטות מבנית גדולה יותר ויכולת הרחבה נוחה יותר.

אם התוצאות יחזיקו גם בדורות הבאים של המערכת, ההשפעה עשויה להיות רחבה: החל מניסויי נייטרינו וחיפושים אחר חלקיקים נדירים, דרך קלורימטרים במאיצי חלקיקים, ועד יישומים רפואיים. החוקרים מציינים כי אותה יכולת לשחזר במדויק היכן נוצר אור חלש בתוך נפח חומר יכולה בעתיד לתרום גם לשיפור חדות הסריקה במכשירי PET, המשמשים להדמיה רפואית.

האבטיפוס הראשון כבר הוצג, והפיתוח הבא מתמקד כעת בחיישנים מהירים ורגישים יותר, בשדה ראייה רחב יותר ובאלגוריתמים משופרים לשחזור. עבור תחום שנאבק שנים במורכבות ובעלות של גלאים מסורתיים, מדובר בניסיון ממשי להחליף ארכיטקטורה מסובכת מאוד במערכת קומפקטית וחכמה יותר.