Physiker haben eine völlig neue Kamera zur Erkennung von Neutrinos und dunkler Materie entwickelt

Neue Methode zur Registrierung elementarer Teilchen: von sperrigen Detektoren zu einer einzigen Kamera

Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung schweizerischer Physiker hat eine revolutionäre Methode zur Entdeckung von Neutrinos und dunkler Materie vorgestellt. Anstelle herkömmlicher massiver Systeme, die in tausende Segmente zerlegt sind, nutzten sie eine einzige Lichtfeldkamera in Kombination mit einem hochsensiblen Photondetektor. Dieser Ansatz macht den Detektor einfach und kostengünstig, was die Suche nach den schwersten Teilchen beschleunigen könnte.

Traditionelle Neutrino-Detektoren
Moderne Anlagen zur Registrierung von Spuren des Zerfalls von Neutrinos sind riesige Volumina ultrareiner Flüssigkeit, durchzogen von Photodetektoren (Photomultiplikatoren). Neutrinos interagieren nicht direkt mit Materie aufgrund ihres fehlenden Ladungs und ihrer geringen Masse, daher sind ihre „Spuren“ erst sichtbar nach dem Zerfall von Atomen in der Flüssigkeit. Solche Detektoren können künstlich sein (z. B. in großen Tanks) oder natürlich – wie im Baikalsee, in der Antarktis oder am Meeresboden des Mittelmeers. In beiden Fällen wird das Volumen in Sektoren unterteilt, was zur Verwendung von Zehntausenden Sensoren führt.

Kompakte Lösungen und ihre Beschränkungen
Für Laborversuche können kompaktere Detektoren verwendet werden, sie behalten jedoch die sektorale Struktur und ein optisches Fasernetz aus Zehntausenden Kanälen bei. Diese Dichte ermöglicht die Aufzeichnung von subatomaren Teilchenpfaden mit einer Genauigkeit von Hundertstel Millimetern in kurzer Zeit. Neutrinos kollidieren mit einem Atom, zerbrechen es in kleinere Teilchen; anhand der Spuren dieser Brüche wird der „Verursacher“ des Ereignisses rekonstruiert.

Neue Technologie PLATON
Wissenschaftler von ETH Zürich und EPFL entwickelten den Sensor PLATON, der keine Segmentierung des Scintillationsmaterials erfordert. Innerhalb eines einzigen Volumens werden die Spuren des Neutrino-Zerfalls erzeugt, die anschließend durch Photonen registriert werden. Eine Kamera ersetzt tausende Sensoren und erhält oder erhöht sogar die Auflösung.

Die PLATON-Kamera verwendet eine Mikrolinsenmatrix, die nicht nur die Lichtintensität, sondern auch deren Richtung erfasst. Dadurch kann der dreidimensionale Teilchenpfad ohne physische Segmentierung des Detektors rekonstruiert werden. Tests mit einer Strontium‑90-Quelle (Elektronen) bestätigten die Wirksamkeit der Methode.

Auflösung und Skalierung
Simulationen zeigen, dass ein Scintillator von 10 × 10 × 10 cm eine Spurauflösung von weniger als 1 mm erreicht. Bei Vergrößerung auf einen Kubikmeter (Standardgröße für Neutrino-Experimente) bleibt die Genauigkeit im Bereich mehrerer Millimeter – vergleichbar mit den besten weltweiten Analogien, jedoch bei deutlich geringerer Baukomplexität.

Eine auf Transformer basierende neuronale Netzwerkarchitektur spielt eine Schlüsselrolle in der Bildverarbeitung und hebt effektiv nützliche Signale aus dem „Rauschen“ der Scintillationsphotonen hervor.

Perspektiven für die Anwendung
Die Entwickler haben bereits drei Patente für die Nutzung der PLATON-Technologie in der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) angemeldet. Das Team erwartet, dass weitere Designverbesserungen eine submillimetergleiche Auflösung für Detektoren mit einem Volumen von mehr als einem Kubikmeter ermöglichen – was neue Möglichkeiten sowohl bei der Suche nach dunkler Materie als auch in medizinischen Anwendungen eröffnet.