物理学的一些突破源于全新的发明，另一些则始于新的理论。但许多进展是当研究人员以意想不到的方式组合熟悉的技术，创造出比单独部分更强大的东西时发生的。这种策略在寻找弱相互作用粒子（包括中微子和某些暗物质候选者）时可能特别有价值。这些粒子因为与普通物质很少相互作用而被认为极难探测。建设更大的探测器并提高其空间分辨率可以增加观察它们产生的微弱信号的机会，但这样往往使仪器变得更加复杂且昂贵。类似的要求也适用于能量计，能量计是在对撞机实验中用于测量粒子携带能量的设备。粒子探测器为何如此复杂？大多数粒子物理实验需要重建基本粒子在大体积高密度材料中移动的三维（3D）路径。一种常见的探测器材料是闪烁体。当带电粒子穿过闪烁体时，材料会发出微小的可见光闪光。科学家用这些闪光来确定粒子经过的位置及其与探测器的相互作用。为了精确定位粒子的位置，闪烁体通常被分成大量小的活跃部分。光纤收集每一部分中产生的光子，并将光携带到光电倍增管或硅光电倍增器，这些设备负责计算光子的数量。这种方法可以非常精确，但当进行大规模扩展时变得困难。例如，日本的T2K中微子振荡实验使用的探测器有大约两吨的灵敏材料，分为约两百万个小立方体和60,000根光纤。在欧洲核子研究组织（CERN）和保罗·谢尔研究所，LHCb和Mu3e实验通过使用数百万根细闪烁光纤达到了亚毫米空间分辨率。这些系统展示了分段探测器的能力，但也揭示了一个日益严重的问题。随着探测器的增大，制造、组装和读取数百万个单独组件可能成为重大的技术和财务瓶颈。粒子追踪的新方法 苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）和洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员目前提出了一个非常不同的策略。博士生Till Dieminger，高级科学家Saúl Alonso-Monsalve博士，Davide Sgalaberna教授及其团队的同事，以及由Edoardo Charbon教授领导的EPFL高级量子架构实验室成员，共同开发并测试了一个探测器的首个原型，用于在一个大型非分割的闪烁体材料块内进行超快速、高分辨率的3D粒子成像。该系统不再将探测器分割成数百万个微小单元，而是使用先进的相机技术重建光的来源位置。原型演示和一系列广泛的模拟结果最近在《自然通讯》上进行了描述。将光场摄影转变为物理工具 该探测器受到全光摄像机（也称光场相机）的启发。与普通相机主要记录入射光的强度不同，光场相机还捕捉光到达的方向信息。这使得它能够恢复深度并在三维中重建场景。该技术依赖于放置在相机主镜头和成像传感器之间的微透镜阵列（MLA）。每个微小透镜就像一个微型相机，从略微不同的角度记录同一场景。当所有这些透镜的信息被结合时，系统可以重建光场，描述入射光的强度、位置和方向。在粒子探测中，这种能力尤其有用，因为闪烁体内的光可能非常微弱。当全光相机与单光子雪崩二极管（SPAD）阵列传感器配对时，它们可以探测个别光子，并在即使光线非常微弱时潜在地重建粒子轨迹。尽管有这种希望，之前尚未探索光场相机用于粒子追踪的可能性。PLATON原型内部 新系统是通过PLATON项目开发的，该项目由瑞士国家科学基金会资助。ETHZ-EPFL团队构建了一个概念验证探测器，将微透镜阵列与SPAD成像传感器结合在一起。这种传感器被称为SwissSPAD2，由EPFL团队开发。Raytrix GmbH设计了MLA并将其直接安装在传感器上，以创建完整的全光成像系统。SwissSPAD2还提供了门控光子探测。这意味着该传感器仅在定义的时间窗口内记录光子。这种时间控制帮助研究人员专注于真实闪烁光最有可能出现的时段，同时减少...