Desarrollan una cámara innovadora capaz de rastrear partículas invisibles en 3D

Un grupo de investigadores de ETH Zurich ha desarrollado un innovador detector de partículas, conocido como PLATON, que tiene la capacidad de reemplazar millones de componentes diminutos por un único bloque de material que produce luz. Esta nueva tecnología combina una cámara de campo de luz, sensores de fotones altamente sensibles y técnicas de inteligencia artificial para reconstruir las trayectorias de partículas en un detallado y veloz formato tridimensional.

El diseño de PLATON se basa en la necesidad de detectar partículas que interactúan débilmente, como los neutrinos, que son extremadamente difíciles de observar debido a su escasa interacción con la materia ordinaria. Tradicionalmente, los experimentos de física de partículas requieren reconstruir las trayectorias tridimensionales de las partículas en volúmenes grandes de material denso, lo que a menudo implica sistemas complejos y costosos.

Los detectores convencionales utilizan materiales como los escintiladores, que emiten destellos de luz cuando una partícula cargada los atraviesa. Sin embargo, para localizar con precisión la posición de las partículas, estos materiales suelen estar divididos en millones de pequeñas secciones activas, lo que complica su escalabilidad. Por ejemplo, el experimento de oscilación de neutrinos T2K en Japón utiliza un detector que consta de aproximadamente dos millones de cubos y 60,000 fibras ópticas.

En contraste, el equipo de ETH Zurich propuso una estrategia radicalmente diferente al desarrollar un prototipo que realiza imágenes de partículas en 3D de alta resolución y de forma ultrarrápida dentro de un bloque grande de material escintilador no segmentado. Este sistema utiliza tecnología avanzada de cámaras para reconstruir el origen de la luz emitida, eliminando la necesidad de dividir el detector en millones de unidades pequeñas.

El prototipo se inspira en las cámaras plenópticas, que capturan no solo la intensidad de la luz entrante, sino también la dirección desde la cual llegó. Esto permite recuperar la profundidad y reconstruir una escena en tres dimensiones. La tecnología emplea una matriz de micro-lentes que actúa como múltiples cámaras diminutas, grabando la misma escena desde diferentes ángulos.

Para la detección de partículas, esta capacidad es especialmente útil, ya que la luz generada en un escintilador puede ser muy tenue. Al combinar cámaras plenópticas con sensores de diodos de avalancha de un solo fotón, el sistema puede detectar fotones individuales y reconstruir las trayectorias de las partículas incluso con niveles de luz muy bajos.

En las pruebas de laboratorio, los investigadores evaluaron la resolución espacial de PLATON utilizando niveles de luz que iban desde varios cientos de fotones hasta solo cinco. Los resultados mostraron que el prototipo podía detectar electrones y reconstruir sus posiciones dentro del bloque de material escintilador, validando así el rendimiento del detector.

Además, el equipo está trabajando en una nueva versión de PLATON que incluirá un sensor de matriz de diodos de avalancha mejorado para aumentar la eficiencia de detección de fotones y proporcionar un tiempo de respuesta más preciso. Esta mejora permitirá una reconstrucción aún más precisa de las trayectorias de las partículas.

Los investigadores también exploraron cómo la tecnología podría aplicarse más allá de la física de partículas. Ya han presentado solicitudes de patentes para utilizar la tecnología de PLATON en la tomografía por emisión de positrones (PET), un método de imagen médica que rastrea trazadores radiactivos en el cuerpo.

Con este avance, PLATON podría no solo revolucionar la detección de partículas en experimentos de física, sino también abrir nuevas posibilidades en el ámbito de la imagen médica y otros campos científicos.