رؤية غير المرئي: العلماء يطورون طريقة جديدة لتتبع الجسيمات ثلاثية الأبعاد

يعيد الفيزيائيون التفكير في كيفية اكتشاف الجسيمات المراوغة مثل النيوترينوات من خلال الجمع بين التقنيات الحالية بطرق غير تقليدية.

غالبًا ما يأتي التقدم في الفيزياء من مجموعات غير متوقعة من الأفكار المألوفة. ويصدق هذا بشكل متزايد في البحث عن جسيمات مراوغة مثل النيوترينوات والمرشحين المحتملين للمادة المظلمة، حيث يقتصر الكشف ليس فقط على النظرية ولكن أيضًا بسبب حجم الأدوات وتكلفتها ودقتها. مع نمو أجهزة الكشف بشكل أكبر لتحسين الحساسية، تصبح التصميمات التقليدية التي تعتمد على مواد مجزأة بدقة أكثر صعوبة في القياس، مما يدفع الباحثين إلى استكشاف أساليب مختلفة جذريًا.

تعتمد معظم تجارب فيزياء الجسيمات على التتبع ثلاثي الأبعاد للجسيمات التي تتحرك عبر المواد الكثيفة. في الأجهزة الوامضة، يتم ذلك عادةً عن طريق تقسيم المادة إلى العديد من العناصر النشطة الصغيرة. تبعث كل وحدة ضوءًا مرئيًا عندما تصطدم بجسيم مشحون. ثم يتم جمع هذا الضوء بواسطة الألياف الضوئية وإرساله إلى الفوتون كاشفات مثل أنابيب المضاعف الضوئي أو المضاعف الضوئي السيليكون.

تسلط التجارب الكبيرة الضوء على قوة هذا النهج وحدوده. في تجربة تذبذب النيوترينو T2K اليابانية، يحتوي أحد الكاشفات على حوالي طنين (حوالي 4400 رطل) من المواد النشطة المبنية من حوالي مليوني مكعب صغير و60000 ألياف. في سيرن ومعهد بول شيرير، فإن تجارب مثل LHCb وMu3e تحقق دقة دون المليمتر باستخدام ملايين الألياف الرقيقة المتلألئة. ومع ذلك، يصبح من الصعب قياس هذا المستوى من التجزئة مع نمو أحجام الكاشف، مما يخلق اختناقًا محتملاً.

يقترح فريق من ETH Zurich وEPFL استراتيجية مختلفة. قام الباحثون، بما في ذلك طالب الدكتوراه تيل ديمينغر، والعالم الكبير الدكتور ساؤول ألونسو مونسالفي، والبروفيسور دافيد سجالابيرنا، والمتعاونون من مختبر الهندسة الكمومية المتقدم التابع لـ EPFL بقيادة البروفيسور إدواردو شاربون، بتطوير واختبار نموذج أولي لكاشف يمكنه التقاط صور ثلاثية الأبعاد فائقة السرعة وعالية الدقة لتفاعلات الجسيمات بأحجام كبيرة وغير مجزأة. تم نشر نتائجهم، بالإضافة إلى عمليات المحاكاة التفصيلية، مؤخرًا في مجلة اتصالات الطبيعة.

أدوات معروفة بعيون جديدة

يستمد النهج الجديد الإلهام من الكاميرات ذات المجال الضوئي أو الكاميرات ذات المجال الضوئي. لا تسجل هذه الأجهزة شدة الضوء فحسب، بل تسجل أيضًا اتجاهه، مما يسمح بإعادة بناء معلومات العمق. ويتم تحقيق ذلك باستخدام مجموعة عدسات صغيرة (MLA) موضوعة بين العدسة الرئيسية والمستشعر. تلتقط كل عدسة صغيرة منظرًا مختلفًا قليلًا، مما يتيح إعادة بناء مجال الضوء الكامل.

عند دمجها مع أجهزة استشعار الصمام الثنائي الانهياري أحادي الفوتون (SPAD)، يمكن لهذه التقنية تتبع الجسيمات ثلاثية الأبعاد حتى عند اكتشاف عدد قليل جدًا من الفوتونات. وعلى الرغم من هذه الإمكانية، لم يتم تطبيق التصوير بالمجال الضوئي من قبل على تتبع الجسيمات.

كجزء من مشروع PLATON الذي تموله مؤسسة العلوم الوطنية السويسرية، قام فريق ETH Zurich وEPFL ببناء نموذج أولي عملي يعتمد على هذا المفهوم. يجمع النظام بين MLA ومستشعر SPAD المعروف باسم SwissSPAD2، والذي تم تطويره في EPFL. تم تصميم MLA ودمجه بواسطة Raytrix GmbH. الميزة الرئيسية لـ SwissSPAD2 هي الكشف عن الفوتون، والذي يسجل الإشارات خلال نوافذ زمنية محددة. وهذا يساعد على فصل إشارات الفوتون الحقيقية عن ضوضاء الخلفية.

أفلاطون للاختبار

قام الفريق بتقييم أداء النموذج الأولي في ظروف المختبر، وقياس الدقة المكانية عبر مستويات الضوء التي تتراوح من عدة مئات من الفوتونات إلى خمسة فوتونات مكتشفة فقط. كما اختبروا أيضًا قدرته على إعادة بناء مسارات الإلكترون في وميض بلاستيكي باستخدام مصدر السترونتيوم-90. وفي جميع الحالات، تطابقت النتائج التجريبية بشكل وثيق مع عمليات المحاكاة.

وقد ساهمت هذه الاختبارات الأولية بالفعل في توجيه خطط التحسينات. يقوم الباحثون بتطوير مستشعر SPAD جديد يتمتع بكفاءة كشف أعلى وقدرة على تعيين طوابع زمنية دقيقة للفوتونات الفردية بدقة أقل من النانو ثانية. كما يقومون أيضًا بتحسين تصميم الكاميرا لتوسيع مجال رؤيتها وتحسين مجموعة الضوء. تشير عمليات المحاكاة إلى أن هذه الترقيات ستعزز الدقة المكانية.

سيناريوهات محاكاة

تستكشف عمليات المحاكاة الإضافية كيف يمكن لنظام PLATON الذي تمت ترقيته أن يعمل في اكتشاف النيوترينو. تتضمن هذه الدراسات معالجة متقدمة للصور باستخدام شبكة عصبية تعتمد على بنية المحولات، المشابهة لتلك المستخدمة في نماذج اللغات الكبيرة. يمكن لهذه الشبكة تحديد الأنماط والارتباطات بين الفوتونات المكتشفة.

تشير النتائج إلى أن النظام يمكنه تحقيق دقة مكانية أفضل من 1 ملليمتر (حوالي 0.04 بوصة) في حجم غير مجزأ يبلغ (10x10x10) سم3. ويمكنه أيضًا تحديد تفاعلات النيوترينو التي تتضمن بروتونات ذات زخم منخفض مع بروتونات ذات زخم مرتفع دقة.

بالنسبة للكاشفات الأكبر حجمًا، قام الفريق بتصميم نموذج لنظام متر مكعب واحد (حوالي 35 قدمًا مكعبًا) باستخدام مصدر فوتون مبسط. وحتى في هذه الحالة، تشير عمليات المحاكاة إلى دقة تبلغ بضعة ملليمترات، مقارنة بأحدث أجهزة الكشف الوامضة الحالية. ومع المزيد من التحسينات، يتوقع الباحثون أداءً أقل من المليمتري في أحجام أكبر من 1 م3.

الخطط المستقبلية

تمتد التطبيقات المحتملة إلى ما هو أبعد من فيزياء الجسيمات. يعتقد الفريق أن نظامهم القائم على الرؤية الكاملة يمكن أن يحسن التصوير في مجالات أخرى أيضًا.

وقد قدم كل من Dieminger وAlonso-Monsalve وSgalaberna بالفعل ثلاث براءات اختراع تتعلق بـ PLATON لاستخدامها في التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET). وهي تغطي كلا من تصميم الماسح الضوئي وطرق معالجة الصور، بما في ذلك الشبكة العصبية. تتمتع فيزياء الجسيمات بسجل حافل في توليد التقنيات ذات التأثير الواسع، بدءًا من شبكة الويب العالمية وحتى العلاج بالبروتونات. يمكن أن تصبح شركة PLATON مثالاً آخر على هذا الاتجاه.

المرجع: “نظام كاميرا فائق السرعة لتتبع الجسيمات ثلاثية الأبعاد عالية الدقة في أجهزة وميض غير مجزأة” بقلم تيل ديمينغر، وسول ألونسو مونسالفي، وكريستوف ألت، وكلاوديو بروشيني، ونويمي بوهرر، وإدواردو شاربون، وكوداي كانياسو، وتيم ويبر، وماثيو فرانكس، وديفيد سجالابيرنا، 21 مارس 2026، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-026-70918-x

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.