A colaboração AEgIS, liderada pela equipe de Christoph Hugenschmidt, trabalhando na fonte de nêutrons FRM II da Universidade Técnica de Munique, desenvolveu um detector a partir do sensor de uma câmera de smartphone, modificado para capturar em tempo real imagens dos pontos onde a antimatéria se aniquila com a matéria.
Este novo dispositivo, descrito em um artigo recém-publicado na Science Advances, pode localizar aniquilações de antiprótons com uma resolução de cerca de 0,6 micrômetro, ou seja, uma resolução 35 vezes maior do que a obtida com os métodos em tempo real existentes.
O novo detector AEgIS (à esquerda) e uma seleção de aniquilações de antiprótons que ele fotografou (à direita).
As aniquilações aparecem como eventos em forma de estrela com múltiplos traços provenientes de um vértice primário. As setas verdes, ciano e laranja indicam exemplos de fragmentos nucleares.
Imagem: AEgIS/CERN
O AEgIS e outros experimentos na fábrica de antimatéria do CERN, como ALPHA e GBAR, têm a missão de medir com alta precisão a queda do anti-hidrogênio no campo gravitacional da Terra, cada um utilizando uma técnica diferente.
A abordagem do AEgIS consiste em produzir um feixe horizontal de anti-hidrogênio e medir seu deslocamento vertical usando um dispositivo chamado defletômetro de moiré, que revela pequenos desvios de trajetória, e um detector que registra os pontos de aniquilação do anti-hidrogênio.
"Para que o AEgIS funcione, precisamos de um detector com resolução espacial extremamente alta; e os sensores de câmera de smartphones têm pixels menores que um micrômetro", explica Francesco Guatieri, pesquisador principal do estudo. "Nosso detector contém 60 sensores de câmera, permitindo alcançar uma resolução de 3.840 megapixels. Assim, o número de pixels do nosso detector é atualmente o maior entre todos os detectores de imagem."
"As placas fotográficas eram a única opção antes, mas não permitiam trabalhar em tempo real", acrescenta Francesco Guatieri. "Nossa solução, que testamos com antiprótons e aplicamos diretamente ao anti-hidrogênio, combina em um único dispositivo resolução no nível de uma placa fotográfica, diagnósticos em tempo real, auto-calibração e uma boa superfície de coleta de partículas."
A equipe usou sensores de imagem óptica disponíveis no mercado, cuja capacidade de "fotografar" pósitrons de baixa energia em tempo real com resolução sem precedentes já havia sido demonstrada. "Tivemos que remover as primeiras camadas dos sensores, que são projetadas para processar a eletrônica avançada integrada dos celulares", explica Francesco Guatieri. "Isso exigiu bons conhecimentos em design eletrônico e microengenharia."
Essa resolução recorde foi possível graças a um elemento-chave inesperado: a produção participativa. "Descobrimos que a intuição humana atualmente é mais eficaz do que métodos automatizados", diz Francesco Guatieri. A equipe do AEgIS pediu aos colegas que determinassem manualmente a posição dos pontos de aniquilação de antiprótons em cada uma das mais de 2.500 imagens do detector, e esse procedimento se mostrou muito mais preciso do que qualquer algoritmo. Único problema: cada colega levou até dez horas para analisar todos os eventos de aniquilação.
"A resolução é tão boa que também nos permite diferenciar fragmentos de eventos de aniquilação diferentes", destaca Ruggero Caravita, porta-voz do AEgIS. Ao medir a largura dos traços de diferentes produtos de aniquilação, os pesquisadores podem determinar se os traços são produzidos por prótons ou píons.
"O novo detector abre caminho para novas pesquisas sobre aniquilação de antipartículas de baixa energia e é uma tecnologia revolucionária para observar os pequenos desvios causados pela gravidade no anti-hidrogênio", explica Ruggero Caravita.