原型“相機(jī)”提供新方法，讓難以捉摸的幽靈粒子可視化

這項(xiàng)概念驗(yàn)證為粒子探測(cè)器的開(kāi)發(fā)與維護(hù)減輕了負(fù)擔(dān)，展現(xiàn)出一個(gè)充滿希望的開(kāi)端。

許多尚未破解的物理學(xué)謎團(tuán)都圍繞著一些微小、相互作用極弱的粒子，它們需要?jiǎng)佑煤牧薮蟮奶綔y(cè)手段才能尋得蹤跡。這使得它們難以被直接“看見(jiàn)”，因此科學(xué)家們不得不采用迂回的方式來(lái)追蹤粒子的運(yùn)動(dòng)，通常會(huì)用到巨型、昂貴的設(shè)備，而且數(shù)據(jù)處理相當(dāng)耗時(shí)。不過(guò)，一項(xiàng)提案——一種更小巧、類似相機(jī)的原型——正試圖解決這些難題。

在近期發(fā)表于《自然·通訊》的一項(xiàng)研究中，來(lái)自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員公布了首款替代型粒子探測(cè)器原型的結(jié)果。論文稱，該探測(cè)器“能夠?qū)崿F(xiàn)超快三維高分辨率成像”。這個(gè)名為 PLATON 的驗(yàn)證裝置是一套由一塊閃爍體和一臺(tái)3D相機(jī)組成的整體式探測(cè)系統(tǒng)。配置看似簡(jiǎn)單，但結(jié)合了原創(chuàng)軟件和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，顯著提升了三維圖像的分辨率。

“其結(jié)果是簡(jiǎn)化了粒子探測(cè)器的構(gòu)造，并且，（用這套簡(jiǎn)單的配置）就能實(shí)現(xiàn)出色的三維空間分辨率，這或許令人驚訝。”蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和歐洲核子研究中心的物理學(xué)家達(dá)維德·斯加拉貝爾納在一封電子郵件中表示，“我們的驗(yàn)證裝置為探測(cè)中微子乃至更普遍的基本粒子，開(kāi)辟了一條全新的路徑。”

中微子是不帶電荷、質(zhì)量近乎為零的粒子，在宇宙中極為豐富。它們被稱為“幽靈粒子”，之所以重要，是因?yàn)楸M管數(shù)量龐大，卻極難探測(cè)，物理學(xué)家對(duì)它們的認(rèn)識(shí)大體上仍然模糊不清。

從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，PLATON 最早的應(yīng)用將是醫(yī)用全身掃描儀。不過(guò)，研究團(tuán)隊(duì)在一份聲明中解釋說(shuō)，該裝置易于擴(kuò)展，因此最終應(yīng)該能在粒子物理學(xué)中證明其價(jià)值。

追蹤近乎不可見(jiàn)的粒子

閃爍體是一種能將高能輻射（如X射線或伽馬射線）轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光或近可見(jiàn)光的材料。在粒子物理學(xué)中，探測(cè)器中的閃爍材料將來(lái)自微小高能粒子的輻射轉(zhuǎn)化為光信號(hào)。根據(jù)歐洲核子研究中心的說(shuō)法，這些“量熱器”會(huì)阻止粒子并測(cè)量它們的能量損失，為研究人員提供分析粒子行為所需的信息。

“通常，為了在閃爍體中三維追蹤這大量的粒子，你必須將閃爍體分割成許多微小的體素（例如 1 立方厘米的小方塊），數(shù)量在幾千到幾百萬(wàn)之間，”斯加拉貝爾納解釋道，“然而，體素的大小，或者說(shuō)分割的精細(xì)度，限制了圖像的空間分辨率。”

的確，頂級(jí)機(jī)構(gòu)會(huì)使用巨量閃爍體（它們并不總是固體的）。例如，日本的 T2K 實(shí)驗(yàn)使用了約兩噸的閃爍材料，以兩百萬(wàn)個(gè)立方體和六萬(wàn)根光纖的形式存在。歐洲核子研究中心那些巨型探測(cè)器也配備著數(shù)百萬(wàn)根纖細(xì)的閃爍光纖。這給物理學(xué)家?guī)?lái)了一流的數(shù)據(jù)，但如果這些裝置能更簡(jiǎn)單些呢？

技術(shù)疊加技術(shù)

最新的原型將閃爍體引入了一種全光相機(jī)方案中。全光相機(jī)，也稱為光場(chǎng)相機(jī)，擁有一個(gè)微透鏡陣列，其中每個(gè)微透鏡都像一臺(tái)微小的相機(jī)，用于重建光場(chǎng)的深度和強(qiáng)度。聲明指出，結(jié)合專門設(shè)計(jì)的單光子傳感器，全光相機(jī)在基本粒子的高分辨率三維追蹤方面展現(xiàn)出了良好但尚未被充分挖掘的潛力。

這正是研究人員所做的；在開(kāi)發(fā)并組裝了一臺(tái)定制的相機(jī)、微透鏡陣列和單光子傳感器之后，團(tuán)隊(duì)利用這款新型探測(cè)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，團(tuán)隊(duì)成功重建了來(lái)自鍶源的電子位置，證實(shí)了這種配置確實(shí)能切實(shí)地探測(cè)粒子，正如他們所料。

微小尺度，巨大挑戰(zhàn)

基于這些結(jié)果，研究人員對(duì)中微子——不帶電荷、質(zhì)量幾乎為零的基本粒子——在 PLATON 探測(cè)器中的表現(xiàn)進(jìn)行了基于模擬的分析。論文解釋說(shuō)，模擬結(jié)果顯示，該探測(cè)器能將這些微小粒子的追蹤分辨率降至200微米。一個(gè)深度學(xué)習(xí)模型協(xié)助對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。斯加拉貝爾納向 Gizmodo 報(bào)告說(shuō)，總的來(lái)說(shuō)，最終結(jié)果“非常出色”。

“我們想通過(guò)精心控制的實(shí)驗(yàn)來(lái)表征這款3D相機(jī)的分辨率，更重要的是，在定制的光學(xué)模擬中重現(xiàn)這些結(jié)果，”他補(bǔ)充道。話雖如此，正如研究人員在論文中所說(shuō)，要讓 PLATON 式技術(shù)在粒子物理學(xué)領(lǐng)域真正引起轟動(dòng)，仍需解決許多技術(shù)挑戰(zhàn)。

不過(guò)，該探測(cè)器的設(shè)計(jì)仍有一些顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)，比如它不需要粒子探測(cè)器通常所需的“大型低溫基礎(chǔ)設(shè)施”。如果團(tuán)隊(duì)能夠兌現(xiàn)其承諾，這款新原型在可擴(kuò)展性和前所未有的成像分辨率上可能帶來(lái)革命性的變化，正如斯加拉貝爾納所說(shuō)，這“對(duì)于未來(lái)的粒子物理實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要——不僅僅是那些與中微子相關(guān)的實(shí)驗(yàn)”。

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