Vernichtung auf einem Smartphone. Telefonmatrix als Teilchendetektor für CERN

Ein überarbeiteter lichtempfindlicher CMOS-Sensor, ein Bestandteil von Smartphone-Kameras, eignet sich beispielsweise hervorragend als Partikeldetektor. zum Nachweis der Antimaterievernichtung. Das sind gute Nachrichten – Teilchendetektoren können kleiner, genauer und billiger sein – demonstrierte das CERN-Team unter Beteiligung von Polen.

Das AEgIS-Team vom CERN, zu dem auch polnische Physiker gehören (cern-aegis.pl), suchte nach einer Möglichkeit, den Ort der Annihilation – der Kollision von Materie und Antimaterie – präziser als je zuvor zu bestimmen. Den Forschern fiel auf, dass sich eine leicht modifizierte lichtempfindliche CMOS-Matrix, die in Smartphones verwendet wird, hervorragend zur Erkennung solcher Prozesse eignet. Es ist präziser und günstiger als herkömmliche Teilchendetektoren, also warum es nicht nutzen?

Die Wissenschaftler verwendeten einen handelsüblichen CMOS-Chip, das lichtempfindliche Element einer Smartphone-Kamera. Dieser Chip hat eine viel bessere Auflösung als die Siliziumdetektoren, die normalerweise bei großen Experimenten verwendet werden. Es stellt sich heraus, dass es nur einer kleinen Modifikation bedarf, um effektiv Informationen über Partikel sammeln zu können. Anschließend wurden mehrere Dutzend solcher Elemente verwendet, um eine Matrix zu erstellen, die einen großen Detektor bildete. Die Ergebnisse wurden in Science Advances veröffentlicht.

„Das AEgIS-Forschungsteam hat einen einzigartigen Detektor gebaut, der tausendmal günstiger ist als speziell für diese Forschung hergestellte Siliziumdetektoren. Darüber hinaus verfügt unser Detektor über eine viel bessere Auflösung und ermöglicht die Live-Analyse von Teilchenkollisionen“, erklärt Prof. Mariusz Piwiński vom Institut für Physik der Nikolaus-Kopernikus-Universität, Mitglied des AEgIS-Teams.

In professionellen Siliziumdetektoren hinterlässt ein energiereiches Teilchen, das eine Schicht eines Halbleiters – Silizium – durchdringt, eine Spur in seiner elektronischen Struktur, ähnlich wie ein Flugzeug eine Spur am Himmel hinterlässt. Durch die Analyse einer solchen Spur lässt sich feststellen, wo die Partikel kollidierten und um welche Art von Partikeln es sich handelte. CERN hat riesige Datenbanken erstellt, die zeigen, wie Spuren verschiedener Partikel in Silizium aussehen.

Es stellt sich heraus, dass Smartphone-Matrizen auf Siliziumbasis auch in der Lage sind, zu registrieren, wenn ein hochenergetisches Teilchen durch sie hindurchgeht. Und die Daten zu dieser Spur werden in Echtzeit aufgezeichnet. Zudem sind die Spuren, die die Teilchen dort hinterlassen, die gleichen wie in bestehenden Detektoren. Um die Funktionen von „Smartphone“-Detektoren zu nutzen, ist es nicht erforderlich, eine neue Trace-Datenbank aufzubauen.

Bei bestehenden Detektoren ist ein einzelnes quadratisches Pixel etwa 30 Mikrometer groß. Und in einer CMOS-Matrix ist ein solches einzelnes Pixel kleiner als 1 Mikrometer. Dadurch wird eine noch genauere Erfassung von Ereignissen möglich.

„Um immer bessere Kameras in Smartphones zu haben, sind immer bessere Matrizen erforderlich. Es gibt bereits eine bekannte Technologie zur Herstellung lichtempfindlicher Systeme mit winzigen Pixeln, die auf Silizium basieren und zudem winzig sind, weil sie in das Gehäuse des Telefons passen“, sagte Prof. Mariusz Piwiński von der UMK.

Er erklärte, dass Smartphone-Matrizen nicht dafür hergestellt würden, Teilchenvernichtung zu erkennen, sie könnten jedoch darauf vorbereitet werden. Er erklärt, dass beispielsweise Elemente, die als Mikrolinsen dienen, auf die Matrix des Smartphones gesputtert werden. Die Wissenschaftler mussten diese Elemente entfernen, um das lichtempfindliche Element freizulegen.

Die Matrixgröße ist klein: 3,7 mm x 2,8 mm, aber wenn mehrere Dutzend solcher Elemente nebeneinander platziert werden, können sie zum Erstellen einer Matrix verwendet werden, die eine ausreichend große Oberfläche abdeckt.

Wissenschaftler untersuchen im AEgIS-Experiment, wie sich die Schwerkraft auf Antimaterie auswirkt.

Man kann sich Antimaterieteilchen als „Spiegelbilder“ von Materieteilchen vorstellen. Beispielsweise ist ein Elektron ein Teilchen mit einer negativen Ladung, und sein entsprechendes Antimaterieteilchen, ein Positron, hat dieselbe Masse und denselben Spin, aber eine positive Ladung. Wenn diese beiden Objekte aufeinandertreffen, kommt es zur Annihilation: die Umwandlung ihrer Masse in Energie in Form von hochenergetischen Photonen (gemäß Einsteins berühmter Formel E=mc2).

Im AEgIS-Projekt untersuchen Wissenschaftler, ob die Beschleunigung, mit der Antiwasserstoffatome auf die Erde – einen Planeten aus gewöhnlicher Materie – fallen, genau der Erdbeschleunigung für Wasserstoffatome entspricht. Unser aktueller Wissens- und Technologiestand ermöglicht bereits die Herstellung und Erprobung von Antiwasserstoff unter Laborbedingungen.

Fällt Wasserstoff auf die Erde? Ja, aber unter Erdbedingungen werden in der Luft die Wasserstoffmoleküle durch die schwereren Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle nach oben verdrängt.

Obwohl ein mit Wasserstoff gefüllter Ballon (oder ein Luftschiff) in die Luft steigt, verlässt er die Erdumlaufbahn nicht. Und in einer Vakuumkammer kann man, wenn kein Auftriebseffekt vorhanden ist, beobachten, dass Wasserstoffatome tatsächlich auf die Erde fallen. Wissenschaftler wollen untersuchen, ob sich Antiwasserstoffatome genau gleich verhalten. Alle beobachteten Unterschiede können dazu beitragen, viele wichtige Fragen zur Struktur und zum Vorkommen von Materie im Universum zu beantworten.

Im Vakuum bewegen sich Atome auf Bahnen, die genau beschrieben werden können. Daher sollte ein in einer Vakuumkammer im Labor horizontal freigesetztes Antiwasserstoffatom – sofern es sich wie sein materielles Gegenstück verhält – aufgrund der Schwerkraft über eine Distanz von mehreren Metern mehrere Dutzend Mikrometer weit fallen. Letztlich kommt es natürlich auf die Flugzeit an, also auf die Geschwindigkeit, mit der es sich fortbewegt. Für uns ist das nichts, für Wissenschaftler jedoch eine Menge. Mit präzisen Detektoren können sie dies registrieren. Und um dies zu überprüfen, bedarf es genau solcher Detektoren mit noch besserer Auflösung.

Prof. Mariusz Piwiński erklärte, dass bislang CMOS-Matrizen verwendet wurden, um den Annihilationsort von Antiprotonen zu erkennen, er hoffe jedoch, dass die Idee auch in anderen Experimenten aufgegriffen werde, um die Annihilation anderer Antimaterieteilchen zu erkennen.

Dies könnte zur Entwicklung kleinerer, billigerer und genauerer Teilchendetektoren führen. Warum sind die am CERN verwendeten Teilchendetektoren so riesig? Für derartige Experimente sind Detektoren erforderlich, die Informationen über den Ort sammeln, an dem die Vernichtung stattgefunden hat. Und die Auflösung von Siliziumdetektoren ist begrenzt. Um viele Pixel um den Aufprallpunkt herum anzuordnen, müssen Sie die Matrix von der Mitte weg verschieben. Wenn die Pixel kleiner sind (wie bei CMOS-Matrizen), können sie näher an den Aufprallpunkt verschoben werden.

Am AEgIS CERN-Projekt sind polnische Wissenschaftler der Technischen Universität Warschau, des Instituts für Physik der Polnischen Akademie der Wissenschaften, der Nikolaus-Kopernikus-Universität in Toruń und der Jagiellonen-Universität beteiligt.

Ludwik Tomal (PAP)

lt/ zan/