Mit Hilfe von Smartphone-Fotosensoren untersuchen Forschende am Teilchenbeschleuniger CERN die Zerstrahlung von Antimaterie in Echtzeit und mit bisher unerreichter Ortsauflösung. Entwickelt wurde das Gerät für die internationale AEgIS-Kooperation von Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM) an der Forschungs-Neutronenquelle FRM II in Garching. Der Detektor kann Antiprotonen-Annihilationen mit einer Genauigkeit von nahezu 0,6 Mikrometern erfassen, was eine 35-fache Verbesserung gegenüber früheren Verfahren darstellt.
Die AEgIS-Kooperation (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) am CERN hat das primäre Ziel, den freien Fall von Antiwasserstoff im Schwerefeld der Erde mit hoher Präzision zu messen. Dafür wird ein horizontaler Antiwasserstoffstrahl erzeugt und seine vertikale Fallstrecke mit einem Moiré-Deflektometer gemessen – ein Gerät das winzigste Positionsverschiebungen der Antiwasserstoff-Annihilationspunkte detektiert.
„Damit AEgIS funktioniert, brauchen wir einen Detektor mit einer unglaublich hohen räumlichen Auflösung, und die Sensoren mobiler Kameras haben Pixel, die kleiner als ein Mikrometer sind“, sagt der Leiter der Studie, Dr. Francesco Guatieri, aus der Gruppe von Prof. Christoph Hugenschmidt am FRM II. „Wir haben 60 Smartphone-Chips in einen einzigen fotografischen Detektor, den Optical Photon and Antimatter Imager (OPHANIM), integriert. Dieser hat damit weltweit die höchste Anzahl von Pixeln, die in einem technischen Gerät verwendet wird: 3840 Megapixel.“
Zuvor waren fotografische Platten die einzige Option, um die gewünschte Präzision zu erreichen. Diese ließen jedoch keine Echtzeitmessungen zu. „Unsere Lösung wurde bereits an Antiprotonen erfolgreich getestet und wird nun direkt auf Antiwasserstoff angewendet: Wir kombinieren eine hohe Auflösung auf Fotoplattenniveau, Echtzeitdiagnose, Selbstkalibrierung und ein guter Raumwinkel für die Teilchenerfassung in einem Gerät“, erläutert Guatieri. Das Paper dazu wurde soeben in Science Advances veröffentlicht.
Bildsensoren umgebaut
Konkret verwendeten die Forscher optische Bildsensoren aus handelsüblichen Mobiltelefonen. „Wir mussten die ersten Schichten der Sensoren entfernen, die für die hochentwickelte integrierte Elektronik von Mobiltelefonen ausgelegt sind“, sagt Guatieri. „Dies erforderte ein hochentwickeltes elektronisches Design und Mikrotechnik.“ Maßgeblich daran beteiligt waren die Master-Studenten Michael Berghold und Markus Münster an der TUM School of Engineering and Design.
Außergewöhnliche Auflösung
AEgIS-Sprecher Dr. Ruggero Caravita betont: „Dies ist eine bahnbrechende Technologie für die Beobachtung der winzigen, durch die Schwerkraft bedingten Verschiebungen in einem sich horizontal bewegenden Anti-Wasserstoff-Strahl. Sie kann aber auch breitere Anwendung in Experimenten finden, bei denen eine hohe Positionsauflösung von entscheidender Bedeutung ist, oder zum Beispiel um hochauflösende Tracker zu entwickeln. Diese außergewöhnliche Auflösung ermöglicht es uns zudem, verschiedene Annihilationsfragmente zu unterscheiden. Damit eröffnet sie neue Forschungswege zur Annihilation von niederenergetischen Antiteilchen in Materialien.“
Publikation
- M. Berghold et al.: Real-time antiproton annihilation vertexing with sub-micron resolution. Science Advances https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads1176
Weitere Informationen und Links
- AEgIS-Kooperation mit de Europäische Organisation für Kernforschung CERN: home.cern/science/experiments/aegis
- Die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz Forschungsreaktor München II FRM II: https://www.frm2.tum.de/frm2/startseite/
Kontakte zum Artikel
Dr. Francesco Guatieri
Gruppe von Prof. Christoph Hugenschmidt am FRM II
Technische Universität München
Francesco.Guatieri@frm2.tum.de
www.frm2.tum.de/frm2/startseite
Pressekontakt
Originalartikel: AEgIS/CERN (auf Englisch) https://home.cern/news/news/experiments/aegis-transforms-smartphone-sensors-antimatter-camera-unprecedented