这一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粒子）时可能尤为宝贵。这些粒子出了名地难以探测，因为它们极少与普通物质发生相互作用。建造更大的探测器并提高其空间分辨率可以增加观测到它们产生的微弱信号的概率，但这往往会使仪器变得更加复杂和昂贵。
类似的需求也适用于量能器，这是在对撞机实验中用于测量粒子携带能量的装置。
粒子探测器为何如此复杂
大多数粒子物理实验都需要重建基本粒子穿过大体积稠密材料时的三维（3D）路径。
闪烁体是一种常见的探测器材料。当带电粒子穿过闪烁体时，该材料会发出微弱的可见光闪烁。科学家利用这些闪烁来确定粒子的行进路径及其与探测器的相互作用方式。
为了精确定位粒子的位置，闪烁体通常被分割成数量庞大的小型灵敏单元。光纤收集每个单元中产生的光子，并将光传输到光电倍增管或硅光电倍增管，由后者对光子进行计数。
这种方法可以非常精确，但难以扩展。
例如，日本的T2K中微子振荡实验使用了一种探测器，其包含约两吨灵敏材料，由大约200万个立方体和6万根光纤制成。在欧洲核子研究中心（CERN）和保罗谢勒研究所，LHCb和Mu3e实验通过使用数百万根细闪烁光纤实现了亚毫米级空间分辨率。
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。随着探测器体积的增大，制造、组装和读取数百万个独立组件可能会成为主要的技术和资金瓶颈。
一种全新的粒子径迹测量方法
苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）和洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员现在提出了一种截然不同的策略。
博士生Till Dieminger、资深科学家Saúl Alonso-Monsalve博士、Davide Sgalaberna教授及其团队同事，与由Edoardo Charbon教授领导的位于洛桑的EPFL先进量子架构实验室的成员合作，开发并测试了探测器的首个原型，该探测器旨在大型、未分块的闪烁体材料块内进行超快、高分辨率的三维粒子成像。
该系统没有将探测器分割成数百万个微小单元，而是利用先进的相机技术来重建光的起源位置。
该原型的演示及一系列广泛的模拟最近发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。
将光场摄影转化为物理学工具
该探测器的灵感来源于全光相机，也称为光场相机。
普通相机主要记录入射光的强度，而光场相机还能捕捉光线到达方向的信息。这使其能够恢复深度并以三维方式重建场景。
该技术依赖于放置在相机主透镜和成像传感器之间的微透镜阵列（MLA）。每个微型透镜就像一个微型相机，从略微不同的角度记录同一场景。当来自所有这些透镜的信息被结合时，系统可以重建光场，从而描述入射光的强度、位置和方向。
对于粒子探测，这种能力特别有用，因为闪烁体内部的光可能极其微弱。
当光场相机与单光子雪崩二极管（SPAD）阵列传感器配对时，它们可以探测单个光子，并可能在可用光极少的情况下重建粒子径迹。尽管前景广阔，但此前光场相机从未被探索用于粒子径迹测量。
PLATON原型内部
这一新系统是通过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。该传感器被称为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，构成了完整的光场成像系统。
SwissSPAD2还提供门控光子探测功能。这意味着传感器仅在规定的时间窗口内记录光子。
这种时间控制有助于研究人员关注最可能存在真实闪烁光的时段，同时过滤掉随机背景信号和其他虚假计数。
仅用少量光子测试探测器
研究人员在实验室实验中测试了PLATON的空间分辨率，使用的光强范围从数百个被探测光子低至仅五个光子。
他们还评估了该原型是否能够探测电子并重建其在塑料闪烁体块内的位置。这些电子是使用锶-90源产生的。
在不同的测试条件下，模拟结果与实验室测量结果高度吻合，这使研究人员确信其模型能准确描述探测器的性能。
首个演示装置的结果已经影响了团队对PLATON下一版本的规划。
更快的计时与更高的灵敏度
研究人员正在开发一种新型SPAD阵列传感器，旨在提高光子探测效率并为单个光子提供亚纳秒级计时。
在当前系统中，光子被分配到固定的时间窗口。而在升级版本中，每个被探测到的光子都将获得自己精确的时间戳。
增加的计时信息可以帮助系统更准确地确定每个光子的来源，并改进粒子径迹的重建。
研究人员还优化了光场相机，以扩大其视场并收集更多光线。论文中提出的模拟表明，这些改进应能进一步提高PLATON的空间分辨率。
AI重建隐藏的粒子相互作用
团队还利用模拟来评估升级后的PLATON系统在探测中微子时的表现。
模拟采用了一种基于神经网络（NN）的新型图像处理方法。该系统采用了Transformer架构，改编自大型语言模型中常用的类型。
然而，这种Transformer并不分析文字，而是检查探测器记录的闪烁光子之间的模式。它旨在识别光子出现位置和时间的关联性，从而重建原始的粒子相互作用。
模拟表明，体积为(10x10x10)cm3的未分块PLATON探测器现实地看可以实现低于1毫米的空间分辨率。
模拟还表明，该系统能够识别产生末态低动量质子的中微子相互作用，且具有高纯度和高效率。换句话说，探测器可能能够在剔除许多无关信号的同时筛选出目标事件。
扩展至一立方米
研究人员还考虑了该技术在更大探测器中的表现。
由于计算资源有限，他们没有对一立方米的未分块闪烁体运行完整的中微子模拟。相反，他们对简化的点状光子源进行了建模。
模拟显示，这种尺寸的探测器可以实现几毫米的空间分辨率，与最先进的塑料闪烁体探测器相当。
这一结果尤其值得注意，因为PLATON在不将闪烁体分割成数百万个独立碎片的情况下实现了这一性能。
作者认为，对光学设计和系统其他部分的进一步改进，最终可能使体积大于1m3的PLATON型探测器实现亚毫米级分辨率。
粒子物理学之外的潜在用途
苏黎世联邦理工学院的研究人员认为，这项技术的用途最终可能远不止中微子实验和粒子对撞机。
由于PLATON旨在重建三维空间中微弱光信号的位置，它可能会改进广泛的成像系统。
Dieminger、Alonso-Monsalve和Sgalaberna已经提交了三项独立的专利，涉及PLATON技术在正电子发射断层扫描（PET）中的应用。PET是一种医学成像方法，通过追踪体内的放射性示踪剂来显示器官和组织的活动。
这些专利涵盖了扫描仪设计和图像处理技术，包括Alonso-Monsalve开发的神经网络。
粒子物理学有着产出技术并随后在更广泛领域应用的历史。万维网诞生于CERN，而质子治疗则源于粒子加速器和辐射物理学的进步。
PLATON可能成为物理学实验催生具有重大科学和医学应用技术的又一个例证。