Vernietiging op een smartphone. Telefoonmatrix als deeltjesdetector voor CERN

Een herwerkte lichtgevoelige CMOS-sensor, een onderdeel van smartphonecamera's, werkt uitstekend als deeltjesdetector, bijvoorbeeld voor het detecteren van antimaterie-annihilatie. Dat is goed nieuws: deeltjesdetectoren kunnen kleiner, nauwkeuriger en goedkoper zijn, zo toonde het CERN-team met deelname van Polen aan.

Het AEgIS-team van CERN, waar ook Poolse natuurkundigen (cern-aegis.pl) aan deelnemen, zocht naar een manier om nauwkeuriger dan ooit de plaats te bepalen waar annihilatie – de botsing van materie en antimaterie – plaatsvond. De onderzoekers ontdekten dat een licht aangepaste, lichtgevoelige CMOS-matrix, die in smartphones wordt gebruikt, ideaal is voor het detecteren van dergelijke processen. Het is nauwkeuriger en goedkoper dan traditionele deeltjesdetectoren, dus waarom zou je het dan niet gebruiken?

De wetenschappers gebruikten een commerciële CMOS-chip, het lichtgevoelige element in de camera van een smartphone. Deze chip heeft een veel betere resolutie dan de siliciumdetectoren die doorgaans bij grote experimenten worden gebruikt. Het blijkt dat er maar een kleine aanpassing nodig is om effectief informatie over deeltjes te verzamelen. Vervolgens werden enkele tientallen van dergelijke elementen gebruikt om één matrix te creëren, die samen een grote detector vormde. De resultaten zijn gepubliceerd in Science Advances.

"Het AEgIS-onderzoeksteam heeft een unieke detector gebouwd die duizenden keren goedkoper is dan siliciumdetectoren die speciaal voor dergelijk onderzoek zijn vervaardigd. Bovendien heeft onze detector een veel betere resolutie en maakt hij live-analyse van deeltjesbotsingen mogelijk", aldus prof. Mariusz Piwiński van het Instituut voor Fysica van de Nicolaus Copernicus Universiteit, lid van het AEgIS-team.

In professionele siliciumdetectoren laat een hoogenergetisch deeltje, dat door een laag van een halfgeleider (silicium) heen dringt, een spoor achter in zijn elektronische structuur, vergelijkbaar met de manier waarop een vliegtuig een spoor achterlaat in de lucht. Door een dergelijk spoor te analyseren, is het mogelijk om te bepalen waar de deeltjes met elkaar in botsing zijn gekomen en wat voor soort deeltjes het waren. CERN heeft enorme databases aangelegd met informatie over sporen die verschillende deeltjes in silicium achterlaten.

Het blijkt dat smartphonematrices op siliciumbasis ook kunnen registreren wanneer er een hoogenergetisch deeltje doorheen gaat. En gegevens over dit spoor worden in realtime vastgelegd. Bovendien zijn de sporen die de deeltjes daar achterlaten dezelfde als die van bestaande detectoren. Om de mogelijkheden van 'smartphone'-detectoren te benutten, hoeft u geen nieuwe traceringsdatabase te bouwen.

Bij bestaande detectoren is één vierkante pixel ongeveer 30 micrometer groot. En in een CMOS-matrix is ​​zo'n enkele pixel kleiner dan 1 micrometer. Daardoor wordt het mogelijk om gebeurtenissen nog nauwkeuriger vast te leggen.

"Om steeds betere camera's in smartphones te krijgen, zijn steeds betere matrixen nodig. Er bestaat al een bekende technologie voor de productie van lichtgevoelige systemen met minuscule pixels, gebaseerd op silicium, en die bovendien miniatuur zijn omdat ze in de behuizing van de telefoon passen", aldus prof. Mariusz Piwiński van de UMK.

Hij legde uit dat smartphonematrices niet zijn ontworpen om de vernietiging van deeltjes te detecteren, maar dat ze wel hierop voorbereid kunnen worden. Hij legt uit dat er bijvoorbeeld elementen op de matrix van een smartphone worden gesputterd die als microlenzen dienen. Wetenschappers moesten deze elementen verwijderen om het lichtgevoelige element bloot te leggen.

De matrix is ​​klein: 3,7 mm bij 2,8 mm. Als je echter tientallen van zulke elementen naast elkaar plaatst, kun je een matrix bouwen die een voldoende groot oppervlak beslaat.

Wetenschappers onderzoeken in het AEgIS-experiment hoe zwaartekracht antimaterie beïnvloedt.

Antimateriedeeltjes kunnen worden beschouwd als 'spiegelbeelden' van materiedeeltjes. Een elektron is bijvoorbeeld een deeltje met een negatieve lading, en het bijbehorende antimateriedeeltje, een positron, heeft dezelfde massa en spin, maar een positieve lading. Wanneer deze twee objecten elkaar ontmoeten, vindt er annihilatie plaats: de omzetting van hun massa in energie in de vorm van hoogenergetische fotonen (volgens Einsteins beroemde formule E=mc2).

In het AEgIS-project onderzoeken wetenschappers of de versnelling waarmee antiwaterstofatomen op de aarde – een planeet bestaande uit gewone materie – vallen, exact hetzelfde is als de zwaartekrachtversnelling voor waterstofatomen. Onze huidige kennis en technologie maken het al mogelijk om antiwaterstof te creëren en te testen onder laboratoriumomstandigheden.

Valt waterstof naar de aarde? Ja, maar onder aardse omstandigheden worden de waterstofmoleculen in de lucht naar boven verdrongen door de zwaardere stikstof- en zuurstofmoleculen.

Hoewel een ballon (of luchtschip) gevuld met waterstof de lucht in stijgt, ontsnapt het niet uit de baan van de aarde. En in een vacuümkamer, waar geen opwaartse kracht optreedt, kun je zien dat waterstofatomen daadwerkelijk naar de aarde vallen. Wetenschappers willen onderzoeken of antiwaterstofatomen zich precies hetzelfde gedragen. De waargenomen verschillen kunnen helpen bij het beantwoorden van veel belangrijke vragen over de structuur en het voorkomen van materie in het heelal.

In een vacuüm bewegen atomen langs paden die nauwkeurig beschreven kunnen worden. Een antiwaterstofatoom dat horizontaal wordt losgelaten in een vacuümkamer in een laboratorium, zou dus - als het zich gedraagt ​​als zijn materiële tegenhanger - over een afstand van enkele meters enkele tientallen micrometers moeten laten vallen vanwege de zwaartekracht. Het hangt natuurlijk uiteindelijk af van de vliegtijd, dat wil zeggen de snelheid waarmee het zich verplaatst. Voor ons is het niets, maar voor wetenschappers is het veel. Ze kunnen dit registreren met behulp van zeer nauwkeurige detectoren. En om dit te controleren zijn er nu juist detectoren nodig met een nog betere resolutie.

Prof. Mariusz Piwiński legde uit dat CMOS-matrices tot nu toe zijn gebruikt om de annihilatieplaats van antiprotonen te detecteren, maar hij hoopt dat het idee zal worden opgepakt in andere experimenten om de annihilatie van andere antimateriedeeltjes te detecteren.

Dit kan leiden tot de ontwikkeling van kleinere, goedkopere en nauwkeurigere deeltjesdetectoren. Waarom zijn de deeltjesdetectoren die bij CERN worden gebruikt zo gigantisch? Voor dit soort experimenten zijn detectoren nodig die informatie verzamelen over de plek waar de vernietiging plaatsvond. Bovendien is de resolutie van siliciumdetectoren beperkt. Om een ​​groot aantal pixels rondom het impactpunt te plaatsen, moet u de matrix van het midden vandaan verplaatsen. Als de pixels kleiner zijn (zoals in CMOS-matrices), kunnen ze dichter bij het impactpunt worden geplaatst.

Aan het AEgIS CERN-project doen Poolse wetenschappers van de Technische Universiteit Warschau, het Instituut voor Fysica van de Poolse Academie van Wetenschappen, de Nicolaus Copernicus Universiteit in Toruń en de Jagiellonische Universiteit mee.

Ludwig Tomal (PAP)

lt/ zan/