I fisici si trovano ad affrontare un crescente problema di scalabilità: mentre costruiscono rivelatori più grandi per cercare particelle sfuggenti come i neutrini e la materia oscura, i metodi tradizionali utilizzati per “vederli” stanno diventando troppo complessi e costosi da mantenere.
Un gruppo di ricerca dell’ETH Zurigo e dell’EPFL ha proposto una soluzione rivoluzionaria. Adattando la tecnologia della fotografia avanzata, in particolare le fotocamere a campo luminoso, hanno sviluppato un modo per tracciare le particelle in 3D attraverso grandi e solidi volumi di materiale senza la necessità di milioni di minuscoli sensori individuali.
Il collo di bottiglia del ridimensionamento nella fisica delle particelle
Per capire perché questo è importante, bisogna guardare come funzionano gli attuali rilevatori. La maggior parte degli esperimenti si basa su scintillatori, materiali che emettono lampi di luce quando colpiti da una particella. Per tracciare il percorso di una particella in 3D, gli scienziati tradizionalmente dividono questi materiali in milioni di minuscoli segmenti separati (cubi o fibre).
Sebbene altamente preciso, questo approccio incontra un muro man mano che i rilevatori crescono:
– Complessità: gestire milioni di singoli componenti è un incubo logistico.
– Costo: espandere un rilevatore segmentato fino a raggiungere volumi massicci diventa proibitivamente costoso.
– Limiti fisici: Esiste un limite alla precisione con cui è possibile segmentare un materiale prima che l’hardware stesso interferisca con la fisica.
Gli attuali esperimenti all’avanguardia, come il T2K giapponese o quelli del CERN, utilizzano milioni di fibre per ottenere una precisione submillimetrica. Tuttavia, il nuovo approccio del team svizzero, sviluppato nell’ambito del progetto PLATON, cerca di eliminare la necessità di questa intensa segmentazione.
Prendere in prestito dalla fotografia: l’approccio plenottico
L’innovazione dei ricercatori risiede nell’applicazione dell’imaging plettico (o del campo luminoso) alla fisica delle particelle.
In una fotocamera standard, un sensore registra solo l’intensità della luce. In una telecamera plenottica, un array di microlenti (MLA) è posizionato davanti al sensore. Ciò consente al dispositivo di catturare non solo la quantità di luce che colpisce un punto, ma la direzione da cui proviene quella luce. Questi dati direzionali consentono a un computer di ricostruire un’immagine 3D completa del campo luminoso.
Combinando questa serie di lenti con i sensori Single-Photon Avalanche Diode (SPAD), in particolare lo SwissSPAD2 ad alte prestazioni, il team può monitorare le interazioni delle particelle anche quando vengono rilevati solo una manciata di fotoni.
Risultati comprovati e integrazione dell’intelligenza artificiale
Il prototipo è già stato sottoposto a test rigorosi e i risultati sono promettenti:
– Alta precisione: Nei test di laboratorio utilizzando una sorgente di stronzio-90, il sistema ha ricostruito con successo le tracce degli elettroni negli scintillatori plastici.
– Prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione: il sistema ha mantenuto la risoluzione spaziale anche quando ha rilevato solo cinque fotoni.
– Ricostruzione basata sull’intelligenza artificiale: per elaborare dati complessi, il team sta utilizzando architetture Transformer, lo stesso tipo di reti neurali che alimentano modelli linguistici di grandi dimensioni, per identificare modelli e correlazioni tra i fotoni rilevati.
Capacità previste
Le simulazioni suggeriscono che una versione aggiornata di questo sistema potrebbe raggiungere:
* Risoluzione submillimetrica in volumi non segmentati.
* Identificazione ad alta precisione delle interazioni dei neutrini che coinvolgono protoni a basso momento.
* Scalabilità a volumi superiori a un metro cubo, corrispondenti o superiori agli attuali standard di settore senza enormi spese hardware.
Dalla fisica delle particelle all’imaging medico
Le implicazioni di questa tecnologia vanno ben oltre la caccia alla materia oscura. I ricercatori hanno già depositato tre brevetti volti ad adattare il sistema PLATON per le scansioni di tomografia a emissione di positroni (PET).
Storicamente, le scoperte nel campo della fisica fondamentale hanno rivoluzionato la medicina, in particolare attraverso lo sviluppo della terapia protonica. Applicando l’imaging del campo luminoso agli scanner medici, il team spera di creare strumenti diagnostici più precisi, efficienti e potenzialmente più accessibili.
Il passaggio da un hardware altamente segmentato al rilevamento intelligente basato sul campo luminoso rappresenta un cambiamento fondamentale nel modo in cui osserviamo il mondo microscopico.
Conclusione
Unendo la fisica ottica avanzata con l’intelligenza artificiale, i ricercatori hanno creato un percorso per costruire rilevatori di particelle più grandi ed efficienti. Questa svolta non solo promette di far progredire la nostra comprensione dell’universo, ma racchiude anche un potenziale significativo per il futuro dell’imaging diagnostico medico.
