На заводе по производству антивещества в ЦЕРНе коллаборация AEgIS изучает новый подход к выявлению одного из наиболее редких явлений природы: аннигиляции антипротонов. Выявлять это редкое явление планируется с помощью камер смартфонов.
Команда, возглавляемая профессором Кристофом Хугеншмидтом из Технического университета Мюнхена (TUM), вместо того, чтобы создавать новую сенсорную систему с нуля, перепрофилировала шестьдесят 64-мегапиксельных датчиков мобильных камер, чтобы сформировать матрицу размером 3,84 гигапикселя под названием OPHANIM, сокращение от Optical Photon and Antimatter Imager. Этот детектор может наблюдать, как антипротоны сталкиваются с веществом, высвобождая энергию при аннигиляции.
Камеры смартфонов имеют крошечные размеры, что делает их плохими для съемки фотографий. Ведь небольшой физический размер сенсора камеры ради маркетинга делят на десятки или сотни миллионов пикселей. Это приводит к тому, что каждый отдельный пиксель имеет микроскопический размер и плохо захватывает свет.
Именно поэтому смартфоны не фотографируют в полный размер сенсора, а объединяют несколько реальных пикселей в один виртуальный. Например, iPhone имеет камеру 48 Мп, но стандартно фотографирует в 12 Мп.
«Для работы AEgIS нам нужен детектор с невероятно высоким пространственным разрешением, а датчики мобильных камер имеют пиксели размером менее 1 микрометра», — объясняет Франческо Гватьери, главный исследователь TUM.
Чтобы адаптировать датчики для научного использования, команде пришлось прибегнуть к интенсивной микроинженерии, чтобы удалить датчики камеры из слоев, предназначенных для электроники мобильных телефонов.
«Нам пришлось удалить первые слои датчиков, которые были созданы для работы с передовой интегрированной электроникой мобильных телефонов», — говорит Гватьери. Этот процесс позволил датчикам напрямую фиксировать световые паттерны, связанные с событиями аннигиляции.
Несмотря на свое происхождение, мобильные датчики не снижают производительности. Фактически, новый детектор обеспечивает 35-кратное улучшение разрешения в реальном времени по сравнению с более ранними методами.
«Раньше единственным вариантом были фотопластинки, но им не хватало возможностей работы в режиме реального времени», — добавляет Гватьери.
«Наше решение, продемонстрированное для антипротонов и непосредственно применимое к антиводороду, сочетает в себе разрешение на уровне фотопластинки, диагностику в реальном времени, самокалибровку и хорошую поверхность для сбора частиц — и все это в одном устройстве».
Детектор OPHANIM позволяет исследователям наблюдать события аннигиляции в режиме реального времени с разрешением около 0,6 микрометра, достаточно тонким, чтобы различать различные частицы, образующиеся в процессе.
«Это принципиально новая технология наблюдения крошечных сдвигов под действием силы тяжести в антиводневном пучке, движущемся горизонтально, и она также может найти более широкое применение в экспериментах, где решающее значение имеет высокое разрешение местоположения, или для разработки трекеров с высоким разрешением», — говорит представитель AEgIS доктор Руджеро Каравита. «Это экстраординарное разрешение позволяет нам также различать различные фрагменты аннигиляции, прокладывая путь для новых исследований низко энергетической аннигиляции античастиц в материалах».
Результаты этой работы выходят за рамки исследований антивещества. Способность OPHANIM отслеживать частицы с такой точностью может принести пользу широкому кругу экспериментов, предлагая при этом недорогую модель, созданную на основе существующих потребительских технологий.
