भौतिकी में प्रगति अक्सर परिचित विचारों के अप्रत्याशित संयोजनों से होती है। न्यूट्रिनो और संभावित डार्क मैटर जैसे मायावी कणों की खोज में यह बात और भी सच साबित हो रही है, जहाँ खोज न केवल सिद्धांत बल्कि उपकरणों के आकार, लागत और सटीकता से भी सीमित है। संवेदनशीलता बढ़ाने के लिए डिटेक्टरों का आकार बढ़ने के साथ, बारीक खंडों वाली सामग्रियों पर आधारित पारंपरिक डिज़ाइन को बड़े पैमाने पर लागू करना कठिन होता जा रहा है, जिससे शोधकर्ताओं को मौलिक रूप से भिन्न दृष्टिकोणों का पता लगाने के लिए प्रेरित होना पड़ रहा है।

कण भौतिकी के अधिकांश प्रयोग सघन पदार्थों में गतिमान कणों की त्रि-आयामी (3D) ट्रैकिंग पर निर्भर करते हैं। सिंटिलेटर में, यह आमतौर पर पदार्थ को कई छोटे सक्रिय तत्वों में विभाजित करके किया जाता है। प्रत्येक इकाई आवेशित कण से टकराने पर दृश्य प्रकाश उत्सर्जित करती है। फिर उस प्रकाश को ऑप्टिकल फाइबर द्वारा एकत्रित किया जाता है और फोटॉन डिटेक्टरों जैसे कि फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब या सिलिकॉन फोटोमल्टीप्लायरों को भेजा जाता है।

बड़े प्रयोगों से इस दृष्टिकोण की शक्ति और सीमाओं दोनों का पता चलता है। जापान के T2K न्यूट्रिनो दोलन प्रयोग में, एक डिटेक्टर में लगभग दो टन (लगभग 4,400 पाउंड) सक्रिय सामग्री होती है, जो लगभग दो मिलियन छोटे घनों और 60,000 तंतुओं से निर्मित होती है। CERN और पॉल शेरर संस्थान में, LHCb और Mu3e जैसे प्रयोग लाखों पतले जगमगाते तंतुओं का उपयोग करके सबमिलीमीटर परिशुद्धता प्राप्त करते हैं। हालांकि, डिटेक्टरों का आकार बढ़ने पर इस स्तर का विभाजन करना कठिन हो जाता है, जिससे एक संभावित बाधा उत्पन्न हो सकती है।

ईटीएच ज्यूरिख 

जाने-पहचाने उपकरणों को नए नजरिए से देखना

यह नया दृष्टिकोण प्लेनोप्टिक या लाइट फील्ड कैमरों से प्रेरणा लेता है। ये उपकरण न केवल प्रकाश की तीव्रता बल्कि उसकी दिशा को भी रिकॉर्ड करते हैं, जिससे गहराई की जानकारी का पुनर्निर्माण संभव हो पाता है। यह मुख्य लेंस और सेंसर के बीच स्थित माइक्रो लेंस ऐरे (MLA) का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है। प्रत्येक छोटा लेंस थोड़ा अलग दृश्य कैप्चर करता है, जिससे संपूर्ण प्रकाश क्षेत्र का पुनर्निर्माण संभव हो पाता है।

सिंगल-फोटॉन एवलांच डायोड (एसपीएडी) सेंसर के साथ संयुक्त होने पर, यह तकनीक बहुत कम फोटॉनों का पता चलने पर भी कणों को 3डी में ट्रैक कर सकती है। इस क्षमता के बावजूद, प्रकाश क्षेत्र इमेजिंग को पहले कण ट्रैकिंग के लिए लागू नहीं किया गया था।

स्विस नेशनल साइंस फाउंडेशन द्वारा वित्त पोषित PLATON परियोजना के अंतर्गत, ETH ज्यूरिख और EPFL की टीम ने इस अवधारणा पर आधारित एक कार्यशील प्रोटोटाइप बनाया। यह प्रणाली MLA को EPFL में विकसित SwissSPAD2 नामक SPAD सेंसर के साथ जोड़ती है। MLA को Raytrix GmbH द्वारा डिज़ाइन और एकीकृत किया गया था। SwissSPAD2 की एक प्रमुख विशेषता गेटेड फोटॉन डिटेक्शन है, जो विशिष्ट समय सीमाओं के भीतर संकेतों को रिकॉर्ड करता है। इससे वास्तविक फोटॉन संकेतों को पृष्ठभूमि शोर से अलग करने में मदद मिलती है।

प्लैटन की परीक्षा

टीम ने प्रयोगशाला परिस्थितियों में प्रोटोटाइप के प्रदर्शन का मूल्यांकन किया, जिसमें सैकड़ों फोटॉनों से लेकर मात्र पाँच फोटॉनों तक के प्रकाश स्तरों में स्थानिक रिज़ॉल्यूशन को मापा गया। उन्होंने स्ट्रोंटियम-90 स्रोत का उपयोग करके प्लास्टिक स्किन्टिलेटर में इलेक्ट्रॉन पथों को पुनर्निर्मित करने की इसकी क्षमता का भी परीक्षण किया। सभी मामलों में, प्रायोगिक परिणाम सिमुलेशन से काफी हद तक मेल खाते थे।इन प्रारंभिक परीक्षणों से सुधारों की योजनाओं को दिशा मिली है। शोधकर्ता एक नया SPAD सेंसर विकसित कर रहे हैं जिसकी पहचान क्षमता अधिक है और जो नैनोसेकंड से भी कम रिज़ॉल्यूशन पर व्यक्तिगत फोटॉनों को सटीक समय-सीमा प्रदान कर सकता है। वे कैमरे के डिज़ाइन को भी परिष्कृत कर रहे हैं ताकि इसका दृश्य क्षेत्र बढ़ाया जा सके और प्रकाश संग्रहण में सुधार किया जा सके। सिमुलेशन से पता चलता है कि इन उन्नयनों से स्थानिक रिज़ॉल्यूशन में और वृद्धि होगी।

अनुकरणित परिदृश्य

अतिरिक्त सिमुलेशन यह पता लगाते हैं कि उन्नत PLATON प्रणाली न्यूट्रिनो का पता लगाने में कैसा प्रदर्शन कर सकती है। इन अध्ययनों में ट्रांसफ़ॉर्मर आर्किटेक्चर पर आधारित न्यूरल नेटवर्क का उपयोग करके उन्नत इमेज प्रोसेसिंग शामिल है, जो बड़े भाषा मॉडल में उपयोग किए जाने वाले नेटवर्क के समान है। यह नेटवर्क पता लगाए गए फोटॉनों के बीच पैटर्न और सहसंबंधों की पहचान कर सकता है।

परिणामों से पता चलता है कि यह प्रणाली (10x10x10) सेमी³ के अविभाजित आयतन में 1 मिलीमीटर (लगभग 0.04 इंच) से बेहतर स्थानिक रिज़ॉल्यूशन प्राप्त कर सकती है। यह कम संवेग वाले प्रोटॉनों से जुड़े न्यूट्रिनो अंतःक्रियाओं को भी उच्च सटीकता के साथ पहचान सकती है ।

बड़े डिटेक्टरों के लिए, टीम ने एक सरलीकृत फोटॉन स्रोत का उपयोग करके एक घन मीटर (लगभग 35 घन फीट) प्रणाली का मॉडल तैयार किया। इस मामले में भी, सिमुलेशन से कुछ मिलीमीटर का रिज़ॉल्यूशन पता चलता है, जो वर्तमान अत्याधुनिक स्किन्टिलेटर डिटेक्टरों के बराबर है। आगे और सुधार के साथ, शोधकर्ताओं को 1 वर्ग मीटर से बड़े आयतन में सबमिलीमीटर प्रदर्शन की उम्मीद है।

भविष्य की योजनाएं

इसके संभावित अनुप्रयोग कण भौतिकी से परे हैं। टीम का मानना ​​है कि उनका प्लेनोप्टिक-आधारित सिस्टम अन्य क्षेत्रों में भी इमेजिंग को बेहतर बना सकता है।और ईपीएफएल की एक टीम एक अलग रणनीति का प्रस्ताव दे रही है। पीएचडी छात्र टिल डायमिंगर, वरिष्ठ वैज्ञानिक डॉ. साउल अलोंसो-मोनसाल्वे, प्रोफेसर डेविड स्गालाबेर्ना और प्रोफेसर एडोआर्डो चारबोन के नेतृत्व में ईपीएफएल की एडवांस्ड क्वांटम आर्किटेक्चर लैब के सहयोगियों सहित शोधकर्ताओं ने एक प्रोटोटाइप डिटेक्टर विकसित और परीक्षण किया है जो बड़े, अविभाजित स्किन्टिलेटर वॉल्यूम में कणों की अंतःक्रियाओं की अति तीव्र, उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली 3डी छवियां कैप्चर कर सकता है। उनके परिणाम, विस्तृत सिमुलेशन के साथ, हाल ही में नेचर कम्युनिकेशंस में प्रकाशित हुए हैं ।