PLATON detektorius dalelių trajektorijas atkuria ne iš milijonų segmentų, o iš šviesos krypties
Ciuricho federalinio technologijos instituto ir Lozanos federalinio politechnikos instituto mokslininkai sukūrė pirmąjį PLATON detektoriaus prototipą, galintį trimatėje erdvėje atkurti elementariųjų dalelių sąveikos vietą. Sistema registruoja silpnus šviesos blyksnius, atsirandančius dalelėms judant per scintiliatorių – medžiagą, kuri dalį jų energijos paverčia matoma šviesa.
Dabartiniai dalelių detektoriai scintiliatorių dažniausiai dalija į daugybę mažų elementų. Kiekvieno elemento šviesą surenka optinės skaidulos ir perduoda jutikliams, todėl galima apskaičiuoti, kuria kryptimi judėjo dalelė. Toks metodas yra tikslus, tačiau didėjant detektoriams reikia milijonų atskirų dalių, daugybės elektronikos kanalų ir itin sudėtingo surinkimo.
PLATON siūlo kitą principą: naudoti vientisą, į mažus segmentus nepadalytą scintiliatoriaus bloką ir stebėti jame gimstančią šviesą specialia plenoptine kamera. Mokslininkų teigimu, toks sprendimas galėtų gerokai supaprastinti didelių detektorių konstrukciją, išlaikant dabartinėms pažangiausioms sistemoms prilygstantį erdvinį tikslumą.
Plenoptinė kamera nustato ne vien fotono padėtį, bet ir jo judėjimo kryptį
Įprasta kamera daugiausia fiksuoja į jutiklį patenkančios šviesos intensyvumą. Plenoptinė, arba šviesos lauko, kamera papildomai nustato kryptį, iš kurios atkeliavo kiekvienas užfiksuotas fotonas. Tai leidžia iš vieno vaizdo atkurti fotografuojamos erdvės gylį ir objektų trimatę padėtį.
Sistemos viduje tarp pagrindinio objektyvo ir šviesos jutiklio įrengtas mikrolęšių masyvas. Kiekvienas mažytis lęšis tą pačią scintiliatoriaus sritį stebi šiek tiek kitu kampu, todėl, sujungus daugelio lęšių informaciją, galima apskaičiuoti, iš kurios erdvės vietos atkeliavo šviesa.
Dalelių fizikoje ši savybė ypač svarbi, nes sąveikos metu gali būti išskiriami vos keli aptinkami fotonai. Mokslininkai pabrėžia, kad plenoptinės kameros anksčiau buvo naudojamos trimačiam vaizdui ir gyliui atkurti, tačiau iki PLATON projekto jos nebuvo pritaikytos atskirų elementariųjų dalelių trajektorijoms registruoti.
SwissSPAD2 jutiklis gali aptikti pavienius fotonus ir atskirti juos nuo foninio triukšmo
PLATON prototipe panaudotas EPFL sukurtas SwissSPAD2 jutiklis, sudarytas iš pavienių fotonų lavininių fotodiodų masyvo. Tokie jutikliai gali reaguoti net į vieną fotoną, todėl tinka itin silpniems šviesos signalams registruoti.
SwissSPAD2 veikia kontroliuojamais laiko langais ir gali registruoti informaciją maždaug 97 tūkst. kartų per sekundę. Jutiklis fiksuoja, kur šviesa pasirodė ir kuriuo metu tai įvyko, todėl tyrėjai gali atmesti dalį atsitiktinio foninio triukšmo bei tiksliau atkurti dalelės sąveiką.
Laboratorijoje sistema buvo bandoma naudojant nuo kelių šimtų iki vos penkių aptiktų fotonų. Tyrėjai taip pat į plastikinį scintiliatoriaus bloką nukreipė stroncio-90 šaltinio skleidžiamus elektronus ir sugebėjo kiekvienu atskiru atveju apskaičiuoti jų sąveikos vietą. Eksperimentų rezultatai atitiko kompiuterinių modeliavimų prognozes.
Dirbtinis intelektas gali atkurti neutrino sąveiką mažesniu nei milimetro tikslumu
PLATON duomenims apdoroti mokslininkai sukūrė neuroninį tinklą, paremtą transformerių architektūra. Panaši architektūra naudojama didžiuosiuose kalbos modeliuose, tačiau šiuo atveju sistema analizuoja fotonų padėties ir atvykimo laiko tarpusavio ryšius.
Modeliuojant dešimties centimetrų kraštinės scintiliatoriaus kubą, neuroninis tinklas neutrino sąveikos įvykius galėjo rekonstruoti mažesne nei vieno milimetro erdvine paklaida. Pačiame moksliniame darbe pateikiamas atskiras neutrino sąveikos modelis pasiekė maždaug 200 mikrometrų erdvinę skyrą.
Tyrėjai taip pat modeliavo vieno kubinio metro vientisą scintiliatoriaus bloką. Dėl ribotų skaičiavimo išteklių jame nebuvo imituojami visi neutrino sąveikos procesai, tačiau supaprastinti fotonų šaltinių skaičiavimai parodė kelių milimetrų tikslumą. Tai prilygsta pažangiausiems segmentuotiems plastikiniams detektoriams, nors PLATON sistemoje nereikėtų milijonų atskirų kubelių ir optinių skaidulų.
Naujos kartos PLATON turėtų kiekvienam fotonui suteikti tikslią laiko žymą
Dabartinis prototipas fotonus priskiria iš anksto nustatytiems laiko langams. Kitos kartos SPAD jutiklis turėtų registruoti kiekvieno fotono atvykimo laiką mažesniu nei nanosekundės tikslumu, todėl sistema galėtų daug patikimiau nustatyti, kur fotonas gimė ir kokią dalelės trajektorijos dalį jis atspindi.
Komanda taip pat pertvarkė optinę sistemą, kad kamera matytų didesnę scintiliatoriaus dalį ir surinktų daugiau šviesos. Pirmojo prototipo galimybes ribojo mikrolęšių konstrukcija, nedidelis šviesos surinkimo efektyvumas ir scintiliatoriaus padėtis už optimalaus fokusavimo diapazono. Tyrėjų vertinimu, naujas optinis išdėstymas šiuos trūkumus sumažins.
Mokslininkai neskelbia, kad PLATON jau pasirengęs pakeisti CERN ar neutrino observatorijų detektorius. Kol kas išbandytas tik nedidelis koncepcijos prototipas, o didelių tūrių rezultatai daugiausia pagrįsti modeliavimu. Vis dėlto bandymai parodė, kad pats vientiso scintiliatoriaus ir plenoptinių kamerų principas veikia praktiškai.
Dalelių sekimo technologija ateityje gali pagerinti PET medicininius tyrimus
PLATON kūrėjai mano, kad sistema gali būti pritaikyta ne vien neutrino ar tamsiosios medžiagos paieškoms. Ji galėtų būti naudojama kalorimetruose, neutronų detektoriuose, Čerenkovo šviesos registravimo sistemose ir kitose srityse, kuriose būtina nustatyti silpnų šviesos signalų kilmę trimatėje erdvėje.
Ypač perspektyviu pritaikymu laikoma pozitronų emisijos tomografija. PET skeneriai stebi į paciento organizmą suleistų radioaktyviųjų žymenų skilimą ir pagal užfiksuotą spinduliuotę atkuria organų bei audinių aktyvumą. Tikslesnis fotonų kilmės vietos nustatymas teoriškai galėtų pagerinti tokių vaizdų ryškumą ir erdvinę skyrą.
Till Diemingeris, Saúlas Alonso-Monsalve ir Davide’as Sgalaberna jau pateikė tris patentų paraiškas, susijusias su PLATON technologijos naudojimu PET sistemose. Patentai apima skenerio konstrukciją ir vaizdų apdorojimo metodus, įskaitant neutrino tyrimams sukurtą neuroninį tinklą.
Šaltiniai
ScienceDaily. (2026). Scientists built a camera that can track invisible particles in 3D
https://www.sciencedaily.com/releases/2026/07/260716023610.htm
ETH Zurich. (2026). Neutrinos caught on camera
https://www.phys.ethz.ch/news-and-events/d-phys-news/2026/04/neutrinos-caught-on-camera.html
Till Dieminger, Saúl Alonso-Monsalve ir kt. (2026). An ultrafast plenoptic-camera system for high-resolution 3D particle tracking in unsegmented scintillators
https://www.nature.com/articles/s41467-026-70918-x
DAO narių vertinimas
Straipsnio publikavimą patvirtino 5 iš 5 priskirtų DAO narių
Straipsnis aiškiai ir suprantamai pristato naujos kameros technologiją, jos veikimo principus ir galimus taikymus, todėl jis yra vertingas ir įdomus paprastam skaitytojui.
Straipsnis pateikia naują technologiją ir jos galimus pritaikymus, laikydamasis tikslumo ir nešališkumo principų. Informacija atrodo patikima ir nekelia dezinformacijos ar manipuliacijos rizikos.
Straipsnis apie naują kamerą, galinčią matyti nematomas daleles, yra aktualus ir reikšmingas, nes technologijos pažanga gali turėti didelį poveikį mokslui ir pramonei. Tai ypač svarbu Lietuvoje, kur moksliniai tyrimai ir inovacijos yra prioritetas.
Straipsnis pateikia svarbią informaciją apie naują technologiją, kuri gali turėti didelę naudą mokslui ir pramonei. Jame aiškiai išdėstyti kameros veikimo principai ir galimi taikymai, kas yra konstruktyvu ir informatyvu skaitytojams.
Straipsnis pateikia objektyvią informaciją apie naują technologiją, nesukelia nepagrįsto nerimo ir yra psichologiškai saugus, todėl jį galima publikuoti.
