Zdjęcie: Adobe Stock
Zmodyfikowany światłoczuły czujnik CMOS, który jest składnikiem aparatów w smartfonach, okazuje się doskonałym detektorem cząstek, na przykład w identyfikacji zdarzeń anihilacji antymaterii. Ten rozwój jest obiecujący — detektory cząstek mogą stać się bardziej kompaktowe, precyzyjne i opłacalne, co wykazał zespół z CERN, w którego skład wchodzą polscy naukowcy.
Zespół AEgIS w CERN, w którego skład wchodzą polscy fizycy (cern-aegis.pl), poszukiwał metody dokładniejszego określania miejsca anihilacji — punktu spotkania materii i antymaterii. Naukowcy odkryli, że subtelnie zmieniony światłoczuły czujnik CMOS znajdujący się w smartfonach jest wysoce skuteczny w wykrywaniu takich zjawisk. Oferuje on większą precyzję i przystępność cenową w porównaniu do konwencjonalnych detektorów cząstek, co nasuwa pytanie: dlaczego nie wykorzystać go?
Naukowcy wykorzystali dostępny komercyjnie układ CMOS, znany jako element światłoczuły w aparatach smartfonów. Układ ten charakteryzuje się znacznie lepszą rozdzielczością w porównaniu do detektorów krzemowych, powszechnie stosowanych w eksperymentach na dużą skalę. Wydaje się, że do efektywnego zbierania danych na temat interakcji cząstek potrzebne są jedynie niewielkie modyfikacje. Następnie z kilkudziesięciu tych elementów złożono pojedynczą matrycę, tworząc większy detektor. Wyniki tego badania opublikowano w czasopiśmie „Science Advances”.
„Zespół badawczy AEgIS skonstruował wyjątkowy detektor, który jest tysiące razy tańszy od detektorów krzemowych zaprojektowanych specjalnie do takich badań. Ponadto nasz detektor ma znacznie wyższą rozdzielczość i umożliwia analizę zderzeń cząstek w czasie rzeczywistym” – powiedział w rozmowie z PAP prof. Mariusz Piwiński z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, który jest członkiem zespołu AEgIS.
W konwencjonalnych detektorach krzemowych wysokoenergetyczna cząstka przechodząca przez warstwę półprzewodnika — krzem — pozostawia ślad w swojej konfiguracji elektronicznej, podobny do śladu, jaki pozostawia samolot na niebie. Badając ten ślad, naukowcy mogą określić lokalizację i rodzaj cząstek biorących udział w zderzeniu. W CERN stworzono obszerne bazy danych szczegółowo opisujące ślady pozostawione przez różne cząstki w krzemie.
Co ciekawe, matryce oparte na krzemie smartfonów mogą również wykrywać przejście przez nie cząstek o wysokiej energii. Dane dotyczące tych śladów są rejestrowane natychmiast. Ponadto ślady pozostawione przez cząstki w tych matrycach są identyczne z tymi obserwowanymi w poprzednich detektorach. Dlatego nie ma potrzeby tworzenia nowej bazy danych śladów, aby wykorzystać możliwości detektorów „smartfonów”.
W detektorach stosowanych wcześniej pojedynczy piksel kwadratowy mierzy około 30 mikrometrów. Natomiast pojedynczy piksel w matrycy CMOS ma mniej niż 1 mikrometr. Ten postęp ułatwi rejestrowanie zdarzeń z jeszcze większą dokładnością.
„Aby ulepszyć aparaty w smartfonach, niezbędne są lepsze matryce. Istnieje już ugruntowana technologia produkcji światłoczułych systemów z maleńkimi pikselami, które są oparte na krzemie i wystarczająco kompaktowe, aby zmieścić się w obudowie telefonu” – zauważył prof. Mariusz Piwiński z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika.
Wyjaśnił, że chociaż matryce smartfonów nie są pierwotnie zaprojektowane do wykrywania anihilacji cząstek, można je dostosować do tego celu. Wyjaśnił, że komponenty służące jako mikrosoczewki są osadzane na matrycy smartfona i muszą zostać usunięte, aby odsłonić element światłoczuły.
Wymiary matrycy są kompaktowe: 3,7 mm na 2,8 mm, ale umieszczając kilkadziesiąt tych elementów obok siebie, można skonstruować matrycę pokrywającą odpowiednio dużą powierzchnię.
ANTYMATERIOWANIE
Naukowcy biorący udział w eksperymencie AEgIS badają wpływ grawitacji na antymaterię.
Cząstki antymaterii można postrzegać jako „odbicia lustrzane” cząstek materii. Na przykład elektron jest cząstką o ładunku ujemnym, podczas gdy jego antymaterialny odpowiednik, pozyton, dzieli tę samą masę i spin, ale niesie ładunek dodatni. Spotkanie tych dwóch bytów skutkuje anihilacją: przekształceniem ich masy w energię w postaci wysokoenergetycznych fotonów (zgodnie ze słynnym równaniem Einsteina E=mc2 ).
W projekcie AEgIS naukowcy badają, czy szybkość, z jaką atomy antywodoru opadają na Ziemię — zwykłą planetę materii — jest identyczna z przyspieszeniem grawitacyjnym, jakiego doświadczają atomy wodoru. Nasza obecna wiedza naukowa i możliwości technologiczne pozwalają nam tworzyć i badać antywodór w warunkach laboratoryjnych.
WODÓR SPADA, GDY NIE WIDZI PRZESZKÓD
Czy wodór spada na Ziemię? Tak, ale w warunkach atmosferycznych Ziemi cząsteczki wodoru są unoszone w górę przez cięższe cząsteczki azotu i tlenu.
Chociaż balon (lub sterowiec) wypełniony wodorem wznosi się, nie uwalnia się z orbity Ziemi. W komorze próżniowej, pozbawionej efektów wyporności, atomy wodoru rzeczywiście mogą spadać na Ziemię. Naukowcy zamierzają odkryć, czy atomy antywodoru wykazują takie samo zachowanie. Wszelkie zaobserwowane rozbieżności mogą dostarczyć istotnych spostrzeżeń na temat struktury i rozmieszczenia materii we wszechświecie.
W próżni atomy podążają za sobą
Źródło
