Alcune innovazioni in fisica derivano da tecnologie completamente nuove, altre da nuove intuizioni teoriche. Altre ancora prendono forma combinando strumenti esistenti in modi innovativi, studiando come integrarli per ottenere prestazioni superiori rispetto ad altre soluzioni. Il ramo della fisica delle particelle che studia le particelle a interazione debole, come i neutrini e alcuni tipi di candidati per la materia oscura, potrebbe beneficiare di approcci di rilevamento innovativi: le sfide tecnologiche in questo campo di ricerca diventano rapidamente sia pratiche che economiche, poiché l’aumento del volume del rivelatore e della risoluzione spaziale migliora la sensibilità ai processi che producono le particelle di interesse. Analogamente, obiettivi ambiziosi in termini di capacità strumentali si applicano ai calorimetri utilizzati negli esperimenti con acceleratori di particelle.
Nella maggior parte degli esperimenti di fisica delle particelle è necessario il tracciamento tridimensionale (3D) di particelle elementari in materiali densi e di grande volume. In uno scintillatore, ciò si ottiene comunemente mediante una segmentazione fine del materiale in molte unità attive più piccole, ciascuna delle quali emette luce nella gamma di frequenze visibili quando una particella carica la attraversa. Tipicamente, i fotoni prodotti in ogni unità attiva vengono raccolti da fibre ottiche e trasportati all’esterno dello scintillatore verso i tubi fotomoltiplicatori o i fotomoltiplicatori al silicio utilizzati per il conteggio dei fotoni.
Nell’esperimento T2K sulle oscillazioni dei neutrini in Giappone, ad esempio, un rivelatore vanta un volume sensibile di circa due tonnellate, assemblato con circa due milioni di cubi e 60.000 fibre. Al CERN e al Paul Scherrer Institute, gli esperimenti LHCb e Mu3e raggiungono una risoluzione spaziale sub-millimetrica grazie a milioni di sottili fibre ottiche scintillanti. Con questi dati, è chiaro che la scalabilità di questo tipo di segmentazione del materiale scintillatore potrebbe diventare un collo di bottiglia quando saranno necessari volumi maggiori.
Ora, una collaborazione tra l’ETH di Zurigo e l’EPFL invita la comunità scientifica a cambiare radicalmente il modo in cui vengono rilevate le particelle elementari. Il dottorando Till Dieminger, il ricercatore senior Dr. Saúl Alonso-Monsalve, il professor Davide Sgalaberna e i colleghi del suo gruppo, insieme ai membri dell’Advanced Quantum Architecture Lab dell’EPFL di Losanna, guidato dal professor Edoardo Charbon, hanno proposto e testato il primo prototipo di un nuovo rivelatore in grado di eseguire immagini 3D ad alta risoluzione e ultraveloci di particelle in grandi volumi di materiale scintillatore non segmentato. La loro dimostrazione, insieme a un esaustivo studio di simulazione, è stata recentemente pubblicata su Nature Communications .
Strumenti conosciuti visti con occhi nuovi
Qualche anno fa, gli appassionati di fotografia ricorderanno probabilmente l’interesse suscitato dalle cosiddette fotocamere plenottiche o a campo luminoso: questi dispositivi si differenziano da quelli più convenzionali perché registrano l’intensità luminosa e contemporaneamente catturano informazioni sulla profondità. Ciò è reso possibile da una matrice di microlenti (MLA) posizionata tra l’obiettivo standard e il sensore di immagine: ogni lente della matrice funge da minuscola fotocamera che contribuisce a ricostruire il campo luminoso, inteso come mappa dell’intensità luminosa in una data posizione e direzione spaziale. Le fotocamere plenottiche offrono un grande potenziale per l’imaging e, se combinate con sensori a matrice di diodi a valanga a singolo fotone (SPAD), possono consentire il tracciamento 3D ad alta risoluzione di particelle elementari anche in condizioni di scarsità di fotoni. Ciononostante, l’utilizzo delle fotocamere a campo luminoso per il tracciamento di particelle è rimasto inesplorato fino ad ora.
Nell’ambito del progetto PLATON, il team ETHZ-EPFL ha realizzato un primo dimostratore concettuale basato su una telecamera a campo luminoso dotata di un array di microlenti (MLA) e di un sensore di immagine a matrice di fotodiodi SPAD. Il sensore SPAD, denominato SwissSPAD2, è stato sviluppato dal team dell’EPFL; l’MLA è stata progettata e montata sul sensore, formando così il sistema plenottico, da Raytrix GmbH. Un aspetto cruciale di SwissSPAD2 è l’aggiunta del rilevamento di fotoni a finestra temporale: ciò significa che gli eventi di rilevamento ricadono in finestre temporali fisse, consentendo di isolare gli intervalli di tempo in cui il segnale proveniente dai fotoni rilevati è dominante rispetto ai conteggi spuri.
PLATON alla prova
I ricercatori hanno studiato le prestazioni del dimostratore PLATON caratterizzandone la risoluzione spaziale con dati raccolti in laboratorio per intensità luminose che vanno da poche centinaia fino a cinque fotoni rilevati. Il team ha anche testato il prototipo sulla sua capacità di rilevare e ricostruire la posizione degli elettroni in un blocco di scintillatore plastico a partire da una sorgente di stronzio-90. In tutti i casi considerati, le simulazioni mostrano una buona concordanza con le misurazioni effettuate in laboratorio.
L’esperienza acquisita con il primo dimostratore PLATON ha già orientato i piani di aggiornamento a breve termine del team: i ricercatori stanno infatti sviluppando un nuovo sensore a matrice SPAD che consentirà loro di ottenere una maggiore efficienza di fotorilevamento e una risoluzione temporale sub-nanosecondo per singolo fotone. Quest’ultima significa che ai fotoni rilevati non verrà semplicemente assegnata una finestra temporale, ma un vero e proprio timestamp.
Inoltre, il design della telecamera plenottica è già stato ottimizzato per massimizzare sia il suo campo visivo che la sua capacità di raccolta della luce. Si prevede che tutti questi sviluppi miglioreranno la risoluzione spaziale di PLATON, come già suggerito dalle simulazioni presentate nell’articolo.
Scenari simulati
I risultati delle simulazioni pubblicati, che testano le prestazioni previste di PLATON nel rilevamento dei neutrini, si basano sulla versione aggiornata del sistema attualmente in fase di sviluppo. Queste simulazioni includono anche nuovi metodi di post-elaborazione delle immagini che sfruttano una rete neurale (NN) costruita attorno a una cosiddetta architettura Transformer, adattata da quelle comunemente utilizzate per i modelli linguistici di grandi dimensioni; in particolare, la rete neurale proposta si dimostra in grado di catturare efficacemente le correlazioni tra i fotoni di scintillazione rilevati.
Le simulazioni presentate indicano che una risoluzione spaziale inferiore a 1 mm è realistica per un sistema PLATON con un volume non segmentato di (10x10x10) cm 3 e che la selezione delle interazioni dei neutrini con protoni a basso impulso nello stato finale può essere ottenuta con elevata purezza ed efficienza.
Quando si passa a un rivelatore a scintillatore non segmentato di un metro cubo, il team non esegue simulazioni di rilevamento dei neutrini a causa delle limitate risorse computazionali, ma considera uno scenario con una sorgente di fotoni puntiforme semplificata. In questo caso, i risultati delle simulazioni mostrano che una risoluzione spaziale di pochi millimetri è raggiungibile, un risultato paragonabile a quello dei rivelatori a scintillatore plastico all’avanguardia. Sulla base di questi risultati incoraggianti, gli autori prevedono che ulteriori lavori sulla progettazione ottica, tra gli altri aspetti, consentiranno di raggiungere una risoluzione sub-millimetrica nei rivelatori di particelle di tipo PLATON con volumi superiori a 1 m³. 3 .
Piani futuri
Secondo i ricercatori dell’ETH di Zurigo, il potenziale del nuovo approccio descritto nell’articolo si estende oltre la fisica delle particelle. Essi ritengono infatti che il loro sistema basato su una telecamera plenottica potrebbe fornire un incremento delle prestazioni in diverse applicazioni di imaging.
Dieminger, Alonso-Monsalve e Sgalaberna hanno depositato tre brevetti distinti per PLATON, un sistema di tomografia a emissione di positroni (PET). I brevetti riguardano il concetto di scanner e i metodi di post-elaborazione delle immagini, inclusa la rete neurale sviluppata da Alonso-Monsalve. La fisica delle particelle vanta una lunga tradizione di trasferimenti tecnologici di grande impatto, dal World Wide Web alla protonterapia: il progetto PLATON potrebbe benissimo trasformarsi in un’altra storia di successo.
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