I fisici hanno sviluppato una fotocamera completamente nuova per rilevare neutrini e materia oscura

Nuovo modo di registrare particelle elementari: da detector ingombranti a una singola camera

Un gruppo internazionale di scienziati guidato da fisici svizzeri ha presentato un metodo rivoluzionario per la rilevazione di neutrini e materia oscura. Invece dei tradizionali sistemi massicci divisi in migliaia di segmenti, hanno utilizzato una singola camera del campo luminoso combinata con un sensore fotonico ad alta sensibilità. Questo approccio rende il detector semplice ed economico, potenzialmente accelerando la ricerca delle particelle più elusive.

Detector tradizionali per neutrini
Le attuali installazioni per registrare le tracce di decadimento dei neutrini sono enormi volumi di liquido ultra-puro permeato da fotodetector (fotomultiplicatori). I neutrini non interagiscono direttamente con la materia a causa della mancanza di carica e del basso massiccio, quindi le loro “tracce” sono visibili solo dopo il decadimento degli atomi nel liquido. Tali detector possono essere artificiali (ad esempio in grandi serbatoi) o naturali – come nel Baikal, nell'Antartide o sul fondo del Mar Mediterraneo. In entrambi i casi il volume è suddiviso in settori, con conseguente uso di decine di migliaia di sensori.

Soluzioni compatte e le loro limitazioni
Per esperimenti di laboratorio si possono usare detector più compatti, ma mantengono comunque la struttura a settore e una rete di fibra ottica di decine di migliaia di canali. Tale densità consente di tracciare le traiettorie delle particelle subatomiche con precisione centesimale in tempi brevi. Un neutrino colpisce un atomo, spezzandolo in componenti più piccole; dalle tracce di questi frammenti viene ricostruito l’“autore” dell’evento.

Nuova tecnologia PLATON
Gli scienziati dell'ETH Zurich e dell'EPFL hanno sviluppato il sensore PLATON, che non richiede la segmentazione del materiale scintillatore. All'interno di un unico volume si creano le tracce di decadimento dei neutrini, poi registrate da fotoni. Una singola camera sostituisce migliaia di sensori, mantenendo e persino migliorando la capacità risolutiva.

La camera PLATON utilizza una matrice di microlenti che cattura non solo l'intensità della luce ma anche la sua direzione. Ciò consente di ricostruire la traiettoria tridimensionale della particella senza segmentazione fisica del detector. I test su una sorgente di strontio‑90 (elettroni) hanno confermato l'efficacia del metodo.

Risoluzione e scalabilità
La modellazione mostra che per un scintillatore dimensioni 10 × 10 × 10 cm il sistema raggiunge una risoluzione del tracciamento inferiore a 1 mm. All'aumentare fino a un metro cubo (dimensione standard degli esperimenti di neutrini) la precisione rimane entro pochi millimetri – comparabile con i migliori analoghi mondiali, ma con complessità di assemblaggio notevolmente ridotta.

Un ruolo chiave nell'elaborazione delle immagini è svolto da una rete neurale basata sull'architettura Transformer, che estrae efficacemente i segnali utili dal “rumore” dei fotoni scintillatori.

Prospettive di applicazione
I sviluppatori hanno già depositato tre brevetti per l'utilizzo della tecnologia PLATON nella tomografia a emissione di positroni (PET). Il team prevede che ulteriori miglioramenti del design consentiranno di raggiungere una risoluzione sub-millimetro per detector con volume superiore a un metro cubo – aprendo nuove possibilità sia nella ricerca della materia oscura sia nelle applicazioni mediche.