Физики разработали совершенно новую камеру для обнаружения нейтрино и темной материи

Новый способ регистрации элементарных частиц: от громоздких детекторов к одной камере

Международная группа учёных под руководством швейцарских физиков представила революционный метод обнаружения нейтрино и тёмной материи. Вместо привычных массивных систем, разбитых на тысячи сегментов, они использовали единую камеру светового поля в сочетании с высокочувствительным фотонным датчиком. Такой подход делает детектор простым и экономичным, что может ускорить поиск самых неуловимых частиц.

Традиционные нейтринные детекторы

Современные установки для регистрации следов распада нейтрино — это огромные объёмы сверхчистой жидкости, пронизанной фотодетекторами (фотоумножителями). Нейтрино не взаимодействуют напрямую с веществом из‑за отсутствия заряда и малой массы, поэтому их «следы» видны только после распада атомов в жидкости. Такие детекторы могут быть искусственными (например, в больших резервуарах) или природными – как в Байкале, Антарктике или на дне Средиземного моря. В обоих случаях объём разбивается на сектора, что приводит к использованию десятков тысяч датчиков.

Компактные решения и их ограничения

Для лабораторных экспериментов можно использовать более компактные детекторы, но они всё равно сохраняют секторную структуру и оптоволоконную сеть из десятков тысяч каналов. Такая плотность позволяет фиксировать траектории субатомных частиц с точностью до сотых миллиметров за короткое время. Нейтрино сталкивается с атомом, разбивая его на более мелкие частицы; по следам этих разломов воссоздаётся «виновник» события.

Новая технология PLATON

Учёные из ETH Zurich и EPFL разработали датчик PLATON, который не требует сегментации сцинтилляционного материала. Внутри всего одного объёма создаются следы распада нейтрино, которые затем регистрируются фотонами. Одна камера заменяет тысячи сенсоров, сохраняя и даже повышая разрешающую способность.

Камера PLATON использует матрицу микролинз, фиксирующую не только интенсивность света, но и его направление. Это позволяет восстанавливать трёхмерную траекторию частицы без физической сегментации детектора. Тесты на источнике стронция‑90 (электроны) подтвердили эффективность метода.

Разрешение и масштабирование

Моделирование показывает, что для сцинтиллятора размером 10 × 10 × 10 см система достигает разрешения трека менее 1 мм. При увеличении до одного кубического метра (стандартный размер нейтринных экспериментов) точность остаётся в пределах нескольких миллиметров – сопоставима с лучшими мировыми аналогами, но при значительно меньшей сложности сборки.

Ключевую роль в обработке изображений играет нейросеть на основе архитектуры Transformer, которая эффективно выделяет полезные сигналы из «шума» сцинтилляционных фотонов.

Перспективы применения

Разработчики уже подали три патента на использование технологии PLATON в позитронно‑эмиссионной томографии (ПЭТ). Команда ожидает, что дальнейшие улучшения дизайна позволят достичь субмиллиметрового разрешения для детекторов объёмом более одного кубического метра – открывая новые возможности как в поиске тёмной материи, так и в медицинских приложениях.