从自拍到科学：CERN 将你的日常手机摄像头变成反物质探测器

当物质和反物质碰撞时，它们会相互“湮灭”，将其质量转化为一股纯能量，释放出高能光子或粒子。由慕尼黑工业大学 (TUM) Christoph Hugenschmidt 教授领导的 AEgIS 合作项目的科学家们研制出了一种新型探测器，能够实时成像反物质湮灭点。

MOS 传感器拍摄的反质子湮灭事件，观察到的形状与 Timepix3 探测器记录的形状相似，尽管比例大约小了 50 倍。通过拍摄背景图像，洋红色标记的像素被视为无效。绿色箭头表示椭圆形尖刺的示例，青色箭头表示粗轨迹的示例，橙色箭头表示细轨迹的示例。

《科学进展》杂志发表的一项研究中描述了这种装置，它能够精确定位反质子湮灭物质的位置，精度高达0.6微米（亚微米分辨率）。这比之前的实时成像方法精确35倍。

AEgIS 实验是欧洲核子研究中心反物质工厂研究的一部分，该工厂的研究团队正在尝试测量反氢原子在地球引力和重力加速度下的行为。“反氢实验：重力、干涉测量、光谱学”（AEgIS）是一项合作项目，汇集了来自欧洲和印度各地的物理学家。在当前阶段，该实验利用反质子减速器产生的反质子来产生反氢原子脉冲束。

AEgIS 通过产生水平反氢粒子束，并使用“莫尔偏转仪”等特殊工具检查其垂直运动来实现这一点。新开发的探测器记录这些湮灭点，以了解重力引起的粒子束路径的细微变化。

该研究的首席科学家弗朗西斯科·瓜蒂耶里（Francesco Guatieri）解释了高分辨率的重要性。“为了使AEgIS实验顺利进行，我们需要一个具有极高成像能力的探测器。我们使用的相机传感器像素小于一微米。通过组合60个这样的传感器，我们打造出了一个分辨率高达3840万像素的探测器——这是迄今为止所有成像探测器中像素数最高的。”

在此之前，研究人员只能依靠照相底片，但无法提供实时信息。新型探测器解决了这个问题，同时提供了类似甚至更好的图像质量。

为了制造该探测器，该团队使用了商用智能手机摄像头传感器，这些传感器已经证明可以实时捕获低能正电子。然而，他们必须对传感器进行重大调整，剥离某些专为手机电子设备设计的层。这一步骤需要先进的工程技术和精心的设计。

有趣的是，人工输入在这一突破中发挥了重要作用。该团队依靠同事的手动分析，在超过 2500 幅图像中精确绘制了反质子湮灭点。虽然这一过程耗时（每组图像最多耗时 10 小时），但在精度上却优于自动化方法。

据称，该探测器惊人的精度还能帮助科学家研究湮灭过程中产生的不同粒子。通过测量留下的轨迹，他们可以判断这些轨迹是由质子还是π介子引起的。这项新技术为研究低能反物质相互作用开辟了新的可能性。

AEgIS 发言人 Ruggero Caravita 强调了这一进展的重要性。“非凡的分辨率也使我们能够区分不同的湮灭碎片。新的探测器为低能反粒子湮灭的新研究铺平了道路，并且是一项改变游戏规则的技术，可用于观察引力引起的反氢原子的微小变化。”

尽管还需要更多的研究来充分发挥其潜力，但该探测器已经被誉为实验物理学领域的变革者。

资料来源：CERN、Science Advances