La colaboración AEgIS, dirigida por el equipo de Christoph Hugenschmidt, que trabaja en la fuente de neutrones FRM II de la Universidad Técnica de Múnich, ha desarrollado un detector a partir del sensor de la cámara de un smartphone, modificado para capturar en tiempo real imágenes de los puntos donde la antimateria se aniquila con la materia.
Este nuevo dispositivo, descrito en un artículo recién publicado en Science Advances, puede localizar las aniquilaciones de antiprotones con una resolución de aproximadamente 0,6 micrómetros, es decir, una resolución 35 veces mayor que la obtenida con los métodos en tiempo real existentes.
El nuevo detector AEgIS (izquierda) y una selección de aniquilaciones de antiprotones que ha fotografiado (derecha).
Las aniquilaciones aparecen como eventos en forma de estrella con múltiples trazas procedentes de un vértice primario. Las flechas verde, cian y naranja indican ejemplos de fragmentos nucleares.
Imagen: AEgIS/CERN
AEgIS y otros experimentos en la fábrica de antimateria del CERN, como ALPHA y GBAR, tienen como objetivo medir con alta precisión la caída del antihidrógeno en el campo gravitatorio de la Tierra, utilizando cada experimento una técnica diferente.
El enfoque de AEgIS consiste en producir un haz horizontal de antihidrógeno y medir su desplazamiento vertical mediante un dispositivo llamado deflectómetro de moiré, que revela pequeñas desviaciones en la trayectoria, y un detector que registra los puntos de aniquilación del antihidrógeno.
"Para que AEgIS funcione, necesitamos un detector con una resolución espacial extremadamente alta; y los sensores de las cámaras de los smartphones tienen píxeles inferiores a un micrómetro", explica Francesco Guatieri, investigador principal del estudio. "Nuestro detector contiene 60 sensores de cámara, lo que le permite alcanzar una resolución de 3.840 megapíxeles. Así, el número de píxeles de nuestro detector es actualmente el más alto de todos los detectores de imagen."
"Las placas fotográficas eran antes la única opción, pero no permitían trabajar en tiempo real", añade Francesco Guatieri. "Nuestra solución, que hemos probado con antiprotones y aplicado directamente al antihidrógeno, combina en un solo dispositivo resolución al nivel de una placa fotográfica, diagnósticos en tiempo real, auto-calibración y buena superficie de captación de partículas."
El equipo utilizó sensores de imagen óptica disponibles comercialmente, cuya capacidad para "fotografiar" en tiempo real positrones de baja energía con una resolución sin precedentes ya había sido demostrada. "Tuvimos que eliminar las primeras capas de los sensores, que están diseñadas para procesar la avanzada electrónica integrada de los teléfonos móviles", explica Francesco Guatieri. "Esto requería buenos conocimientos en diseño electrónico y microingeniería."
Esta resolución récord se logró gracias a un elemento clave inesperado: la producción participativa. "Descubrimos que la intuición humana es actualmente más eficaz que los métodos automatizados", indica Francesco Guatieri. El equipo AEgIS pidió a sus colegas que determinaran manualmente la posición de los puntos de aniquilación de antiprotones en cada una de las más de 2.500 imágenes del detector, y este procedimiento resultó ser mucho más preciso que cualquier algoritmo. El único inconveniente: cada colega tardó hasta diez horas en revisar todos los eventos de aniquilación.
"La resolución es tal que también nos permite diferenciar entre fragmentos procedentes de diferentes eventos de aniquilación", destaca Ruggero Caravita, portavoz de AEgIS. Al medir el ancho de las trazas de diferentes productos de aniquilación, los investigadores pueden determinar si las trazas son producidas por protones o piones.
"El nuevo detector abre el camino a una nueva investigación sobre la aniquilación de antipartículas de baja energía y constituye una tecnología revolucionaria para observar en el antihidrógeno las pequeñas desviaciones provocadas por la gravedad", explica Ruggero Caravita.