Die AEgIS-Kollaboration unter der Leitung von Christoph Hugenschmidts Team, das am FRM-II-Neutronenquelle der Technischen Universität München arbeitet, hat einen Detektor entwickelt, der auf dem Sensor einer Smartphone-Kamera basiert. Dieser wurde so modifiziert, dass er in Echtzeit Bilder der Punkte aufnehmen kann, an denen Antimaterie mit Materie vernichtet wird.
Dieses neue Gerät, das in einem kürzlich in Science Advances veröffentlichten Artikel beschrieben wird, kann die Vernichtung von Antiprotonen mit einer Auflösung von etwa 0,6 Mikrometern lokalisieren – das ist 35-mal höher als die bisherigen Echtzeit-Methoden.
Der neue AEgIS-Detektor (links) und eine Auswahl von Antiprotonen-Vernichtungen, die er fotografiert hat (rechts).
Die Vernichtungen erscheinen als sternförmige Ereignisse mit mehreren Spuren, die von einem primären Vertex ausgehen. Die grünen, cyan und orangefarbenen Pfeile zeigen Beispiele für Kernfragmente.
Bild: AEgIS/CERN
AEgIS und andere Experimente an der CERN-Antimaterie-Fabrik, wie ALPHA und GBAR, haben die Aufgabe, den Fall von Antiwasserstoff im Gravitationsfeld der Erde mit hoher Präzision zu messen, wobei jedes Experiment eine andere Technik verwendet.
Der Ansatz von AEgIS besteht darin, einen horizontalen Strahl von Antiwasserstoff zu erzeugen und seine vertikale Ablenkung mit einem sogenannten Moiré-Deflektometer zu messen, das winzige Abweichungen in der Flugbahn aufzeigt, sowie mit einem Detektor, der die Vernichtungspunkte des Antiwasserstoffs aufzeichnet.
"Damit AEgIS funktioniert, brauchen wir einen Detektor mit extrem hoher räumlicher Auflösung; und die Bildsensoren von Smartphones haben Pixel, die kleiner als ein Mikrometer sind", erklärt Francesco Guatieri, Hauptforscher der Studie. "Unser Detektor enthält 60 Bildsensoren, was ihm eine Auflösung von 3.840 Megapixeln ermöglicht. Damit hat unser Detektor die bisher höchste Pixelzahl aller bildgebenden Detektoren."
"Früher waren Fotoplatten die einzige Option, aber sie erlaubten keine Echtzeit-Arbeit", fügt Francesco Guatieri hinzu. "Unsere Lösung, die wir mit Antiprotonen getestet und direkt auf Antiwasserstoff angewendet haben, vereint in einem einzigen Gerät die Auflösung einer Fotoplatte, Echtzeit-Diagnostik, Selbstkalibrierung und eine gute Partikelsammelfläche."
Das Team verwendete handelsübliche optische Bildsensoren, deren Fähigkeit, niederenergetische Positronen in Echtzeit mit beispielloser Auflösung zu "fotografieren", bereits nachgewiesen wurde. "Wir mussten die obersten Schichten der Sensoren entfernen, die für die integrierte Hochleistungselektronik von Mobiltelefonen ausgelegt sind", erklärt Francesco Guatieri. "Das erforderte fundierte Kenntnisse in Elektronikdesign und Mikrotechnik."
Diese Rekordauflösung konnte dank eines unerwarteten Schlüsselelements erreicht werden: Crowdsourcing. "Wir haben festgestellt, dass die menschliche Intuition derzeit effektiver ist als automatisierte Methoden", sagt Francesco Guatieri. Das AEgIS-Team bat Kollegen, manuell die Positionen der Antiprotonen-Vernichtungspunkte in jedem der über 2.500 Bilder des Detektors zu bestimmen, und dieses Verfahren erwies sich als viel präziser und genauer als jeder Algorithmus. Der einzige Nachteil: Jeder Kollege brauchte bis zu zehn Stunden, um alle Vernichtungsereignisse durchzugehen.
"Die Auflösung ist so gut, dass wir sogar zwischen Fragmenten aus verschiedenen Vernichtungsereignissen unterscheiden können", betont Ruggero Caravita, Sprecher von AEgIS. Durch die Messung der Breite der Spuren verschiedener Vernichtungsprodukte können die Forscher feststellen, ob die Spuren von Protonen oder Pionen stammen.
"Der neue Detektor ebnet den Weg für neue Forschungen zur Vernichtung von niederenergetischen Antiteilchen und ist eine bahnbrechende Technologie für die Beobachtung der winzigen Abweichungen, die die Schwerkraft im Antiwasserstoff verursacht", erklärt Ruggero Caravita.