Físicos desenvolveram uma câmera totalmente nova para detectar neutrinos e matéria escura

Novo método de registro de partículas elementares: dos detectores volumosos a uma única câmera

Um grupo internacional de cientistas liderado por físicos suíços apresentou um método revolucionário para detectar neutrinos e matéria escura. Em vez de sistemas massivos divididos em milhares de segmentos, eles utilizaram uma única câmera de campo luminoso combinada com um detector fotônico altamente sensível. Essa abordagem torna o detector simples e econômico, podendo acelerar a busca pelas partículas mais evasivas.

Detectores tradicionais de neutrinos
As instalações modernas para registrar vestígios da desintegração de neutrinos são enormes volumes de líquido ultra-puro permeado por fotodetectores (fotomultiplicadores). Neutrinos não interagem diretamente com matéria devido à falta de carga e ao baixo peso, portanto seus “vestígios” só são visíveis após a desintegração dos átomos no líquido. Esses detectores podem ser artificiais (por exemplo, em grandes reservatórios) ou naturais – como no Baikal, na Antártica ou no fundo do Mar Mediterrâneo. Em ambos os casos, o volume é dividido em setores, levando ao uso de dezenas de milhares de sensores.

Soluções compactas e suas limitações
Para experimentos laboratoriais, pode-se usar detectores mais compactos, mas eles ainda mantêm a estrutura setorial e uma rede óptica de dezenas de milhares de canais. Essa densidade permite registrar trajetórias subatômicas com precisão de centésimos de milímetro em curto prazo. Neutrinos colidem com um átomo, quebrando-o em partículas menores; pelos rastros dessas fraturas é reconstruído o “responsável” do evento.

Nova tecnologia PLATON
Cientistas da ETH Zurich e EPFL desenvolveram o sensor PLATON, que não requer segmentação do material cintilador. Dentro de um único volume são criados vestígios da desintegração de neutrinos, que depois são registrados por fótons. Uma câmera substitui milhares de sensores, mantendo e até aumentando a capacidade de resolução.

A câmera PLATON utiliza uma matriz de microlentes que captura não apenas a intensidade da luz, mas também sua direção. Isso permite reconstruir a trajetória tridimensional da partícula sem segmentação física do detector. Testes com fonte de estrôncio‑90 (elétrons) confirmaram a eficácia do método.

Resolução e escalabilidade
A modelagem mostra que para um cintilador de 10 × 10 × 10 cm o sistema atinge resolução de trilha inferior a 1 mm. Ao aumentar para um metro cúbico (tamanho padrão de experimentos de neutrinos) a precisão permanece dentro de alguns milímetros – comparável aos melhores análogos mundiais, mas com complexidade de montagem significativamente menor.

Um papel crucial no processamento de imagens desempenha uma rede neural baseada na arquitetura Transformer, que destaca eficientemente sinais úteis do “ruído” dos fótons cintiladores.

Perspectivas de aplicação
Os desenvolvedores já apresentaram três patentes para uso da tecnologia PLATON em tomografia por emissão de pósitrons (PET). A equipe espera que melhorias adicionais no design permitam atingir resolução submilimétrica para detectores com volume superior a um metro cúbico – abrindo novas possibilidades tanto na busca por matéria escura quanto em aplicações médicas.