Anihilacja w smartfonie. Matryca telefonu jako detektor cząstek dla CERN

Przerobiona światłoczuła matryca CMOS, element aparatu fotograficznego w smartfonach, świetnie spisuje się jako detektor cząstek, np. do wykrywania anihilacji antymaterii. To dobra wiadomość - detektory cząstek mogą być mniejsze, dokładniejsze i tańsze - pokazał zespół z CERN z udziałem Polaków.

Zespół AEgIS z CERN, w którego skład wchodzą również polscy fizycy (cern-aegis.pl), szukał sposobu, by precyzyjniej niż dotąd określić miejsce, w którym doszło do anihilacji – zderzenia się materii z antymaterią. Badacze zauważyli, że do wykrywania takich procesów świetnie nadaje się przerobiona nieco światłoczuła matryca CMOS wykorzystywana w smartfonach. Jest ona precyzyjniejsza i tańsza niż tradycyjne detektory cząstek, więc dlaczego by z niej nie skorzystać?

Naukowcy wykorzystali komercyjny chip CMOS, który jest elementem światłoczułym w aparacie fotograficznym smartfona. Chip ten ma o wiele lepszą rozdzielczość, niż standardowo stosowane w dużych eksperymentach krzemowe detektory. Okazuje się, że aby efektywnie zbierał on informacje o cząstkach - wystarczy trochę go przerobić. Następnie z kilkudziesięciu takich elementów stworzono jedną matrycę tworzącą duży detektor. Wyniki ukazały się w "Science Advances".

"Zespół badaczy AEgIS zbudował unikatowy detektor, który jest tysiące razy tańszy niż produkowane specjalnie do takich badań detektory krzemowe. W dodatku nasz detektor ma znacznie lepszą rozdzielczość i umożliwia analizowanie zderzeń cząstek na żywo" - wyjaśnił w rozmowie z PAP prof. Mariusz Piwiński z Instytutu Fizyki UMK, członek zespołu AEgIS.

W profesjonalnych detektorach krzemowych cząstka o wysokiej energii, przechodząc przez warstwę półprzewodnika - krzemu, zostawia ślad w jego strukturze elektronowej, podobnie jak samolot zostawia ślad na niebie. Analizując taki ślad można określić, w którym miejscu doszło do zderzenia cząstek, i co to były za cząstki. W CERN powstały ogromne bazy tego, jak wyglądają ślady w krzemie zostawiane przez różne cząstki.

Okazuje się, że budowane na bazie krzemu matryce smartfonów również są w stanie zarejestrować, kiedy przechodzi przez nie wysokoenergetyczna cząstka. A dane o tym śladzie rejestrowane są w czasie rzeczywistym. W dodatku ślady, jakie zostawiają tam cząstki, są takie jak w dotychczasowych detektorach. Żeby korzystać z możliwości "smartfonowych" detektorów, nie trzeba więc budować nowej bazy śladów.

W dotychczasowych detektorach pojedynczy kwadratowy piksel ma rozmiar ok. 30 mikrometrów. A w matrycy CMOS taki pojedynczy piksel jest mniejszy niż 1 mikrometr. Można więc będzie rejestrować zdarzenia z jeszcze większą dokładnością.

"Żeby mieć w smartfonach coraz lepsze aparaty fotograficzne, potrzebne są coraz lepsze matryce. Istnieje więc już dobrze znana technologia wytwarzania układów światłoczułych, które mają maleńkie piksele, są oparte na krzemie, a w dodatku są miniaturowe, bo mieszczą się w obudowie telefonu" - powiedział prof. Mariusz Piwiński z UMK.

Wyjaśnił, że matryce smartfonów nie są produkowane z myślą o wykrywaniu anihilacji cząstek, ale można je do tego przygotować. Tłumaczy, że na matrycę smartfonu napylone są np. elementy, które służą jako mikrosoczewki. Te elementy naukowcy musieli usunąć, żeby odsłonić element światłoczuły.

Rozmiar matrycy jest niewielki: 3,7 mm na 2,8 mm, ale jeśli ułoży się obok siebie kilkadziesiąt takich elementów, to można z nich zbudować matrycę, która pokryje odpowiednio dużą powierzchnię.

Naukowcy w ramach eksperymentu AEgIS badają to, jak grawitacja wpływa na antymaterię.

Cząstki antymaterii można traktować jako "odbicia lustrzane" cząstek materii. I tak np. elektron to cząstka o ładunku ujemnym, a odpowiadająca mu cząstka antymaterii - pozyton, ma identyczną masę, spin, ale ładunek dodatni. Kiedy dwa te obiekty spotkają się - następuje anihilacja: zamiana ich masy w energię w postaci wysokoenergetycznych fotonów (zgodnie ze sławnym wzorem Einsteina E=mc2).

W ramach projektu AEgIS naukowcy badają, czy przyspieszenie, z jakim atomy antywodoru opadają na Ziemię - planetę zbudowaną ze zwykłej materii - jest dokładnie takie samo, jak przyspieszenie ziemskie dla atomów wodoru. Obecny nasz stan wiedzy i technologii pozwala już na tworzenie i badanie antywodoru w warunkach laboratoryjnych.

To wodór opada na Ziemię? Tak, ale w warunkach ziemskich w powietrzu cząsteczki wodoru są wypierane do góry przez cięższe od nich cząsteczki azotu i tlenu.

Choć balon (lub sterowiec) wypełniony wodorem unosi się w górę, to przecież nie ucieka z orbity ziemskiej. A w komorze z próżnią, gdy efektu wyporu nie ma, można zaobserwować, że atomy wodoru rzeczywiście opadają na Ziemię. Naukowcy chcą zbadać, czy dokładnie tak samo zachowują się atomy antywodoru. Zaobserwowane ewentualne różnice mogą pomóc odpowiedzieć na wiele ważnych pytań dotyczących budowy i występowania materii we wszechświecie.

W próżni atomy poruszają się po torach, dających się ściśle opisać. Zatem atom antywodoru wypuszczony poziomo w laboratoryjnej komorze próżniowej - jeśli zachowuje się jak materialny jego odpowiednik - na odległości kilku metrów powinien za sprawą grawitacji opaść o kilkadziesiąt mikrometrów. Oczywiście ostatecznie zależy to od czasu jego przelotu, czyli prędkości z którą będzie się poruszał. Dla nas to tyle co nic, ale dla naukowców - dużo. Są to w stanie zarejestrować właśnie za pomocą precyzyjnych detektorów. I właśnie takie detektory z jeszcze lepszą rozdzielczością są potrzebne, aby to sprawdzić.

Prof. Mariusz Piwiński wyjaśnił, że na razie matryce CMOS użyto do wykrywania miejsca anihilacji antyprotonów, ale ma nadzieję, że pomysł zostanie podchwycony w innych eksperymentach do wykrywania anihilacji innych cząstek antymaterii.

Dzięki temu mogłyby powstać detektory cząstek mniejsze, tańsze, bardziej dokładne. No bo dlaczego detektory cząstek stosowane w CERN są takie ogromne? W tego typu eksperymentach potrzebne są detektory, które zbierają informację o miejscu, w którym doszło do anihilacji. A rozdzielczość krzemowych detektorów jest ograniczona. Żeby wokół miejsca zderzenia zmieścić dużo pikseli, trzeba odpowiednio odsunąć tę matrycę od centrum. Jeśli zaś piksele są mniejsze (jak w matrycach CMOS), można je przysunąć bliżej miejsca zderzenia.

W projekcie AEgIS CERN biorą udział polscy naukowcy z Politechniki Warszawskiej, Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk, Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu oraz Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Ludwika Tomala (PAP)

lt/ zan/