Beberapa kemajuan dalam fisika berasal dari penemuan yang benar-benar baru. Yang lain memulai dengan teori baru. Namun banyak kemajuan terjadi ketika para peneliti menggabungkan teknologi yang sudah dikenal dengan cara yang tidak terduga dan menciptakan sesuatu yang lebih kuat daripada komponen masing-masing teknologi.
Strategi ini bisa sangat berguna dalam mencari partikel yang berinteraksi secara lemah, termasuk neutrino dan beberapa kandidat materi gelap. Partikel-partikel ini terkenal sulit dideteksi karena jarang berinteraksi dengan materi biasa. Membangun detektor yang lebih besar dan meningkatkan resolusi spasialnya dapat meningkatkan peluang pengamatan sinyal lemah yang dihasilkannya, namun seringkali hal ini membuat instrumen menjadi lebih rumit dan mahal.
Persyaratan serupa berlaku untuk kalorimeter, perangkat yang digunakan dalam eksperimen penumbuk untuk mengukur energi yang dibawa oleh partikel.
Mengapa detektor partikel begitu rumit
Sebagian besar eksperimen fisika partikel harus merekonstruksi lintasan tiga dimensi (3D) partikel elementer saat mereka bergerak melalui materi padat bervolume besar.
Bahan pendeteksi yang umum adalah sintilator. Ketika partikel bermuatan melewati sintilator, material tersebut memancarkan kilatan kecil cahaya tampak. Para ilmuwan menggunakan kilatan cahaya ini untuk menentukan ke mana partikel bergerak dan bagaimana partikel tersebut berinteraksi dengan detektor.
Untuk menemukan lokasi partikel, sintilator biasanya dibagi menjadi sejumlah besar bagian aktif kecil. Serat optik mengumpulkan foton yang dihasilkan di setiap bagian dan membawa cahaya ke tabung fotomultiplier silikon atau fotomultiplier, yang menghitung foton.
Pendekatan ini mungkin sangat tepat, namun sulit untuk diukur.
Eksperimen osilasi neutrino T2K di Jepang, misalnya, menggunakan detektor dengan sekitar dua ton bahan sensitif yang terdiri dari sekitar dua juta kubus dan 60.000 serat. Di CERN dan Paul Scherrer Institute, eksperimen LHCb dan Mu3e mencapai resolusi spasial sub-milimeter berkat penggunaan jutaan serat optik yang halus dan berkilau.
Sistem ini menunjukkan apa yang dapat dicapai oleh detektor tersegmentasi, namun juga mengungkap masalah yang semakin besar. Ketika detektor menjadi lebih besar, pembuatan, perakitan, dan pembacaan jutaan komponen dapat menjadi hambatan teknologi dan keuangan yang besar.
Pendekatan baru yang radikal terhadap pelacakan partikel
Peneliti dari ETH Zurich dan EPFL kini mengusulkan strategi yang sangat berbeda.
Mahasiswa PhD Till Dieminger, ilmuwan utama Saúl Alonso-Monsalve, Profesor Davide Sgalaberna dan rekan-rekannya di kelompoknya, bersama dengan anggota Laboratorium Arsitektur Kuantum Lanjutan EPFL di Lausanne yang dipimpin oleh Profesor Edoardo Charbon, mengembangkan dan menguji prototipe pertama detektor yang dirancang untuk melakukan pencitraan partikel 3D ultracepat dan resolusi tinggi di dalam blok besar bahan sintilator yang tidak tersegmentasi.
Alih-alih membagi detektor menjadi jutaan unit kecil, sistem ini menggunakan teknologi kamera canggih untuk merekonstruksi asal usul cahaya.
Demonstrasi prototipe dan serangkaian simulasi ekstensif dijelaskan baru-baru ini di Komunikasi alami.
Mengubah Fotografi Bidang Cahaya menjadi Alat Fisik
Detektor ini terinspirasi oleh kamera plenoptik, juga disebut kamera medan cahaya.
Berbeda dengan kamera biasa yang utamanya merekam intensitas cahaya yang masuk, kamera bidang cahaya juga menangkap informasi tentang arah datangnya cahaya. Hal ini memungkinkan dia menemukan kedalaman dan merekonstruksi pemandangan dalam tiga dimensi.
Teknologi tersebut mengandalkan micro-lens array (MLA) yang ditempatkan antara lensa utama kamera dan sensor gambar. Setiap lensa mikroskopis bertindak seperti kamera kecil, merekam pemandangan yang sama dari sudut yang sedikit berbeda. Ketika informasi dari semua lensa ini digabungkan, sistem dapat merekonstruksi bidang cahaya yang menggambarkan intensitas, posisi, dan arah cahaya yang masuk.
Untuk deteksi partikel, kemampuan ini sangat berguna karena cahaya di dalam sintilator bisa sangat lemah.
Ketika kamera plenoptik dikombinasikan dengan sensor single-photon avalanche diode array (SPAD), mereka dapat mendeteksi foton individual dan berpotensi merekonstruksi jejak partikel bahkan ketika cahaya yang tersedia sangat sedikit. Meskipun menjanjikan, kamera medan cahaya belum dieksplorasi untuk pelacakan partikel.
Di dalam prototipe PLATON
Sistem baru ini dikembangkan sebagai bagian dari proyek PLATON, yang dibiayai oleh Dana Nasional Swiss.
Tim ETHZ-EPFL membangun detektor bukti konsep yang menggabungkan susunan lensa mikro dan sensor pencitraan SPAD. Sensor yang diberi nama SwissSPAD2 ini dikembangkan oleh tim EPFL. Raytrix GmbH merancang MLA dan memasangnya langsung ke sensor untuk menciptakan sistem pencitraan plenoptik yang lengkap.
SwissSPAD2 juga menyediakan deteksi foton yang terjaga keamanannya. Artinya, sensor hanya merekam foton dalam jangka waktu tertentu.
Kontrol temporal ini membantu peneliti fokus pada periode ketika cahaya kilau sebenarnya paling mungkin muncul sambil menyaring sinyal latar belakang acak dan penghitungan palsu lainnya.
Uji detektor hanya dengan beberapa foton
Para peneliti menguji resolusi spasial PLATO dalam percobaan laboratorium menggunakan tingkat cahaya mulai dari beberapa ratus foton yang terdeteksi hingga hanya lima.
Mereka juga mengevaluasi apakah prototipe tersebut dapat mendeteksi elektron dan merekonstruksi posisinya di dalam blok sintilator plastik. Elektron diproduksi menggunakan sumber strontium-90.
Di berbagai kondisi pengujian yang berbeda, simulasi sangat cocok dengan pengukuran laboratorium, sehingga memberikan keyakinan kepada peneliti bahwa model mereka menggambarkan kinerja detektor secara akurat.
Hasil dari demonstrasi pertama telah membentuk rencana tim untuk versi PLATON berikutnya.
Sinkronisasi lebih cepat dan sensitivitas lebih besar
Para peneliti sedang mengembangkan sensor susunan SPAD baru yang dirancang untuk meningkatkan efisiensi deteksi foton dan menyediakan waktu sub-nanodetik untuk masing-masing foton.
Dalam sistem saat ini, foton ditugaskan ke jendela waktu yang tetap. Dalam versi yang ditingkatkan, setiap foton yang terdeteksi akan menerima stempel waktu yang tepat.
Informasi temporal tambahan ini dapat membantu sistem menentukan dengan lebih tepat dari mana setiap foton berasal dan meningkatkan rekonstruksi jalur partikel.
Para peneliti juga mengoptimalkan kamera plenoptik untuk memperluas bidang pandangnya dan mengumpulkan lebih banyak cahaya. Simulasi yang disajikan dalam makalah ini menunjukkan bahwa perubahan ini akan semakin meningkatkan resolusi spasial PLATO.
AI merekonstruksi interaksi partikel tersembunyi
Tim juga menggunakan simulasi untuk memperkirakan kinerja sistem PLATON yang ditingkatkan saat mendeteksi neutrino.
Simulasi tersebut menggabungkan metode pemrosesan gambar baru berdasarkan jaringan saraf (NN). Sistem ini menggunakan arsitektur Transformer yang diadaptasi dari tipe yang biasa digunakan dalam model bahasa besar.
Namun, alih-alih menganalisis kata-kata, transformator ini memeriksa pola-pola di antara foton kilau yang direkam oleh detektor. Ini dirancang untuk mengidentifikasi korelasi antara di mana dan kapan foton muncul, sehingga memungkinkannya merekonstruksi interaksi partikel asli.
Simulasi menunjukkan bahwa detektor PLATON tidak tersegmentasi dengan volume (10x10x10)cm3 cukup dapat mencapai resolusi spasial kurang dari 1 mm.
Mereka juga menyarankan bahwa sistem tersebut dapat mengidentifikasi interaksi neutrino yang menghasilkan proton dengan momentum rendah dalam keadaan akhir dengan kemurnian dan efisiensi tinggi. Dengan kata lain, detektor mungkin dapat memilih kejadian yang diinginkan sambil menolak banyak sinyal yang tidak berhubungan.
Skala hingga satu meter kubik
Para peneliti juga memikirkan bagaimana teknologi tersebut dapat bekerja pada detektor yang jauh lebih besar.
Karena sumber daya komputasi yang terbatas, mereka tidak melakukan simulasi neutrino penuh untuk blok sintilator tak tersegmentasi berukuran satu meter kubik. Sebaliknya, mereka memodelkan sumber titik foton yang disederhanakan.
Simulasi menunjukkan bahwa detektor sebesar ini dapat mencapai resolusi spasial beberapa milimeter, menjadikannya setara dengan detektor sintilator plastik yang canggih.
Hasilnya sangat luar biasa karena PLATON dapat mencapai kinerja ini tanpa membagi sintilator menjadi jutaan bagian.
Para penulis percaya bahwa perbaikan tambahan pada desain optik dan bagian lain dari sistem pada akhirnya dapat memungkinkan resolusi sub-milimeter pada detektor tipe PLATON dengan volume lebih besar dari 1 m.3.
Potensi penggunaan di luar fisika partikel
Para peneliti di ETH Zurich percaya bahwa teknologi ini pada akhirnya dapat bermanfaat lebih dari sekadar eksperimen neutrino dan penumbuk partikel.
Karena PLATON dirancang untuk merekonstruksi posisi sinyal cahaya redup dalam tiga dimensi, hal ini dapat meningkatkan berbagai sistem pencitraan.
Dieminger, Alonso-Monsalve dan Sgalaberna telah mengajukan tiga paten terpisah yang melibatkan penggunaan teknologi PLATON dalam tomografi emisi positron (PET). PET adalah metode pencitraan medis yang melacak pelacak radioaktif di dalam tubuh untuk mengungkap aktivitas organ dan jaringan.
Paten tersebut mencakup desain pemindai dan teknik pemrosesan gambar, termasuk NN yang dikembangkan oleh Alonso-Monsalve.
Fisika partikel telah lama menghasilkan teknologi yang kemudian digunakan secara lebih luas. World Wide Web diciptakan di CERN, sedangkan terapi proton berkembang berkat kemajuan dalam akselerator partikel dan fisika radiasi.
PLATO dapat menjadi contoh lain dari eksperimen fisika yang mengarah pada teknologi dengan penerapan ilmiah dan medis yang besar.
