物理學上的許多突破來自全新的發明，有些則源於新理論。然而，許多進展是研究人員將現有技術以意想不到的方式結合，創造出比個別組件更強大的成果。
這種策略對於尋找弱交互作用粒子（包括中微子和某些暗物質候選者）尤其有價值。這些粒子極難偵測，因為它們很少與普通物質發生交互作用。建造更大的偵測器並提高其空間解析度可以增加觀測到它們產生的微弱訊號的機率，但這麼做往往會使儀器更加複雜且昂貴。
類似的需求也適用於量能器，這是對撞機實驗中用於測量粒子所攜帶能量的裝置。
為何粒子偵測器如此複雜
大多數粒子物理實驗需要重建基本粒子在穿過大量緻密材料時的三維（3D）路徑。
一種常見的偵測器材料是閃爍體。當帶電粒子穿過閃爍體時，材料會發出微小的可見光閃光。科學家利用這些閃光來確定粒子的行進路徑以及它與偵測器的交互作用方式。
為了精確定位粒子，閃爍體通常被劃分為無數個微小的活性區域。光纖收集每個區域產生的光子，並將光傳輸到光電倍增管或矽光電倍增管，這些裝置會計算光子的數量。
這種方法可以非常精確，但難以擴大規模。
例如，日本的 T2K 中微子振盪實驗使用一種偵測器，其中約有兩噸的感應材料，由約兩百萬個立方體和六萬根光纖組成。在歐洲核子研究組織（CERN）和保羅謝爾勒研究所，LHCb 和 Mu3e 實驗透過使用數百萬根細長的閃爍光纖，達到了毫米以下的空間解析度。
這些系統展示了分割式偵測器能達到的成就，但也揭示了一個日益嚴重的問題。隨著偵測器變得越來越大，製造、組裝和讀取數百萬個獨立組件可能成為主要的技術和財務瓶頸。
A 激進的新粒子追蹤方法
蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）和洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員現正提出一種截然不同的策略。
博士生 Till Dieminger、資深科學家 Dr. Saúl Alonso-Monsalve、教授 Davide Sgalaberna 和他團隊的同事們，以及洛桑 EPFL 的先進量子架構實驗室（Advanced Quantum Architecture Lab）成員（由教授 Edoardo Charbon 領導），共同開發並測試了一種偵測器的首個原型，該偵測器旨在大型、未分割的閃爍體材料中進行超高速、高解析度的 3D 粒子成像。
該系統不將偵測器劃分為數百萬個微小單元，而是利用先進的相機技術來重建光源的 origin。
該原型演示及其廣泛的模擬系列最近在《自然通訊》（Nature Communications）期刊上發表。
將光場攝影轉化為物理學工具
該偵測器從全景相機（Plenoptic cameras），也稱為光場相機（light field cameras）中汲取靈感。
與主要記錄入射光強度的普通相機不同，光場相機還捕捉光線來自方向的資訊。這使得它能夠恢復深度並以三維方式重建場景。
該技術依賴於放置在相機主鏡頭和成像感測器之間的微透鏡陣列（MLA）。每個微型鏡頭都像一個微型相機，從略微不同的角度記錄相同的場景。當所有這些鏡頭的資訊結合起來時，系統就可以重建一個光場，描述入射光的強度、位置和方向。
對於粒子偵測而言，這種能力特別有用，因為閃爍體內的光可能非常微弱。
當全景相機與單光子雪崩二極體（SPAD）陣列感測器配對時，它們可以偵測到單個光子，並在光線極少的情況下重建粒子軌跡。儘管有此潛力，光場相機先前並未被用於粒子追蹤。
新系統透過 PLATON 專案開發，該專案由瑞士國家科學基金會資助。
ETHZ-EPFL 團隊建造了一個概念驗證偵測器，結合了微透鏡陣列和 SPAD 成像感測器。該感測器名為 SwissSPAD2，由 EPFL 團隊開發。Raytrix GmbH 設計了 MLA 並將其直接安裝在感測器上，以創建完整的全景成像系統。
SwissSPAD2 還提供門控光子偵測。這意味著感測器僅在定義的時間窗口內記錄光子。
這種時間控制有助於研究人員專注於最有可能出現真正閃爍光的時間段，同時過濾掉隨機背景訊號和其他雜訊。
僅用幾個光子測試偵測器
研究人員在實驗室實驗中測試了 PLATON 的空間解析度，使用的光照水平從幾百個偵測到的光子到僅五個不等。
他們還評估了原型是否能夠偵測電子並重建它們在塑膠閃爍體塊中的位置。電子是使用鍶-90（strontium-90）來源產生的。
在不同的測試條件下，模擬結果與實驗室測量結果非常吻合，這讓研究人員對他們的模型準確描述了偵測器的性能充滿信心。
第一個演示器的結果已經影響了團隊對下一版 PLATON 的計畫。
更快的計時和更高的靈敏度
研究人員正在開發一種新的 SPAD 陣列感測器，旨在提高光子偵測效率，並為單個光子提供亞奈秒級的計時。
在目前的系統中，光子被分配到固定的時間窗口。在升級版本中，每個偵測到的光子都會獲得自己的精確時間戳。
這種額外的時間資訊有助於系統更準確地確定每個光子的來源，並改善粒子軌跡的重建。
研究人員還優化了全景相機，以擴大其視野並收集更多光線。論文中提出的模擬表明，這些改進應該會進一步提高 PLATON 的空間解析度。
人工智慧重建隱藏的粒子交互作用
該團隊還利用模擬來估計升級後的 PLATON 系統在偵測中微子時的表現。
模擬納入了一種基於神經網路（NN）的新圖像處理方法。該系統使用了一種 Transformer 架構，該架構改編自常用於大型語言模型的類型。
然而，這個 Transformer 並非分析單詞，而是檢查偵測器記錄的閃爍光子之間的模式。它旨在識別光子出現的時間和地點之間的關聯性，從而重建原始粒子交互作用。
模擬表明，一個體積為 (10x10x10)立方公分的未分割 PLATON 偵測器可以實際實現低於 1 毫米的空間解析度。
它們還表明，該系統可以高純度和高效率地識別產生末態低動量質子的中微子交互作用。換句話說，該偵測器可能能夠選擇所需的事件，同時拒絕許多不相關的訊號。
研究人員還考慮了該技術在更大偵測器中的表現。
由於計算資源有限，他們沒有對一立方公尺的未分割閃爍體進行完整的中微子模擬。相反，他們模擬了一個簡化的點狀光源。
模擬表明，這種尺寸的偵測器可以實現幾毫米的空間解析度，與最先進的塑膠閃爍體偵測器相當。
這個結果尤其值得注意，因為 PLATON 在沒有將閃爍體分割成數百萬個獨立部件的情況下實現了這一性能。
作者認為，對光學設計和其他系統組件的額外改進，最終可能使 PLATON 型偵測器在體積大於 1 立方公尺的情況下實現亞毫米級解析度。
粒子物理學以外的潛在用途
蘇黎世聯邦理工學院的研究人員認為，這項技術最終可能在遠超中微子實驗和粒子對撞機的領域找到用途。
由於 PLATON 旨在重建三維空間中微弱光訊號的位置，它可以改善各種成像系統。
Dieminger、Alonso-Monsalve 和 Sgalaberna 已經為 PLATON 技術在正子斷層掃描（PET）中的應用申請了三項獨立的專利。PET 是一種醫學成像方法，用於追蹤體內的放射性示蹤劑，以顯示器官和組織的活動。
這些專利涵蓋了掃描儀設計和圖像處理技術，包括 Alonso-Monsalve 開發的神經網路。
粒子物理學在產生後來廣泛應用的技術方面有著悠久的歷史。全球資訊網（World Wide Web）誕生於 CERN，而質子治療則源於粒子加速器和輻射物理學的進步。
PLATON 可能成為粒子物理實驗催生具有重大科學和醫學應用技術的又一個例子。
