Ilmuwan mencetak 3D Masa depan deteksi partikel
Teknik baru dalam fabrikasi detektor dapat mengubah fisika berenergi tinggi selamanya.
Dengan menggunakan manufaktur aditif, para peneliti telah mengembangkan cara baru untuk membangun detektor scintillator plastik, secara drastis memotong biaya dan membangun waktu. Prototipe pertama mereka, Supercube, telah terbukti mampu melacak partikel kosmik, menandai tonggak sejarah untuk teknologi fisika partikel yang dicetak 3D.
Deteksi neutrino generasi berikutnya
Pada tahun 2024, kolaborasi T2K mulai mengumpulkan data neutrino baru setelah meningkatkan eksperimennya dengan detektor canggih. Salah satunya, SuperFGD, adalah detektor dua ton yang sangat sensitif yang terdiri dari hampir dua juta kubus kecil. Setiap kubus dibuat dari plastik scintillator (PS), bahan yang memancarkan cahaya ketika partikel bermuatan melewatinya.
Sementara neutrino sendiri tidak memiliki muatan, mereka kadang -kadang dapat berinteraksi dengan partikel lain, menghasilkan elektron, proton, muon, atau pions – sinyal yang dapat dideteksi. Setiap PS Cube berisi tiga serat optik, diatur dalam arah yang berbeda, yang menangkap cahaya yang dipancarkan ini dan membimbingnya ke 56.000 fotodetektor. Pengaturan ini menciptakan peta tiga dimensi (3D) trek partikel, membantu para peneliti mendapatkan wawasan yang lebih dalam tentang perilaku neutrino.
Tantangan detektor skala besar
Meningkatkan detektor seperti ini sangat penting untuk memajukan fisika partikel, tetapi juga menimbulkan pertanyaan penting: apakah ada cara yang lebih baik untuk membangun detektor skala besar? Membangun perangkat dari dua juta kubus individu, lapisan demi lapisan, adalah tugas yang sangat besar. Bisakah eksperimen fisika berenergi tinggi mendapat manfaat dari pendekatan yang lebih efisien?
Tantangan -tantangan ini mendorong penelitian profesor Davide Sgalaberna dan André Rubbia dari Institute for Particle Physics and Astrophysics. Bersama para ilmuwan dari ETH Zurich, CERNHES-SO, HEIG-VD, COMATEC-ADDIPOLE, dan Institute for Scintilation Material di Ukraina, mereka baru-baru ini menerbitkan sebuah studi di bidang teknik komunikasi. Penelitian mereka memperkenalkan detektor scintillator plastik 3D yang sepenuhnya dicetak untuk partikel elementer. Pekerjaan ini merupakan bagian dari kolaborasi Detektor Cetak 3D (3DET), yang dipimpin oleh Sgalaberna dengan koordinasi teknis dari Dr. Umut Kose. Tim melihat terobosan mereka sebagai langkah utama menuju produksi detektor partikel skala besar yang lebih hemat, membuka jalan bagi kemajuan di masa depan dalam ilmu neutrino.
Masalah rekayasa dalam pelacakan partikel
Detektor PS memungkinkan untuk melacak jalur dan mengukur hilangnya energi partikel bermuatan yang melewati bahan scintillator dengan respons temporal yang cepat. Karakteristik ini telah menentukan keberhasilan mereka yang berkembang sejak mereka diusulkan pada 1950 -an. Dalam PS, emisi fluoresen yang disebut fluor dimasukkan ke dalam matriks polimer padat. Sebuah partikel bermuatan yang merambat melalui material menggairahkan matriks polimer: interaksi dipol-dipol non-radiatif mentransfer energi eksitasi ke fluor, yang de-ekskit dengan memancarkan cahaya hampir ultraviolet dalam beberapa nanoseconds. Jenis fluor kedua sering ditambahkan ke polimer untuk menggeser panjang gelombang cahaya yang dipancarkan dan menghindari penyerapan dalam bahan scintillator. Serat optik mengumpulkan cahaya yang diproduksi oleh PS dengan menggeser panjang gelombangnya ke bagian hijau dari spektrum yang terlihat, sehingga memungkinkan untuk menjebak cahaya yang dipancarkan dan meningkatkan panjang atenuasi.
Untuk pelacakan optimal partikel elementer, yang disebut detektor kilau 3D granular telah dirakit dari banyak volume yang lebih kecil, seperti kubus PS di superfgd. Dalam skenario ini, sangat penting bahwa unit yang lebih kecil diisolasi secara optik untuk melacak berbagai partikel bermuatan secara mandiri. Kolaborasi 3det ini akrab dengan detektor yang berkumpul ini: Sgalaberna menyusun superfgd dan memimpin pengembangan dan konstruksinya sebagai anggota kolaborasi T2K. Dengan cara yang sama seperti layar 2D laptop atau smartphone terbuat dari piksel fluorescing tunggal, detektor partikel 3D granular dapat dipandang sebagai kumpulan voxel yang gemilang. Semua voxel harus bekerja bersama untuk memberikan data berkualitas tinggi: setiap voxel terisolasi tetapi bagian dari keseluruhan yang lebih besar.
Berinovasi dengan manufaktur aditif
“Ini benar -benar masalah teknik,” kata penulis pertama Tim Weber tentang demonstrasi yang dilaporkan di koran. Dilatih sebagai insinyur mesin di ETH Zurich, Weber bergabung dengan kelompok fisika materi eksotis dan neutrino di Departemen Fisika dan Kolaborasi 3det tiga tahun lalu dan membawa pengalaman beragamnya dengan Additive Manufacturing (AM), umumnya dikenal sebagai pencetakan 3D. Dia suka mengambil pandangan pragmatis tentang masalah ini: jika tujuannya adalah untuk membangun detektor partikel yang lebih besar dengan resolusi pelacakan yang sangat baik, waktu dan biaya produksi harus dikurangi. Ini membutuhkan solusi yang menjamin kecepatan produksi tanpa mengorbankan kualitas dan kinerja detektor partikel.
Sistem produksi yang ideal dapat membangun ribuan voxel yang gemilang menjadi blok monolitik. Kolaborasi 3det dan yang lainnya telah bekerja dengan AM untuk prototipe detektor PS; Beberapa tantangan awal yang mereka temui – terutama dalam hal kinerja detektor – menyoroti dua poin keputusan penting: pilihan bahan dan jenis proses AM yang digunakan untuk menghasilkan detektor. Sebagai contoh, AM biasanya tidak hebat dalam menangani banyak bahan saat mencapai transparansi material yang diperlukan agar cahaya kilau tidak diserap kembali oleh PS. Selain itu, tidak semua proses AM dapat menghasilkan struktur berongga. Masalah terakhir sering mengarah pada intervensi subtraktif-mengebor lubang ke voxel untuk serat pengalihan panjang gelombang, misalnya-yang membuat prosedur fabrikasi sulit untuk diotomatisasi.
Solusi buatan khusus: Pemodelan injeksi yang menyatu (FIM)
Weber, Sgalaberna, dan rekannya tahu bahwa mereka membutuhkan pengaturan AM yang sepenuhnya disesuaikan. Proses manufaktur baru mereka, yang disebut pemodelan injeksi yang menyatu (FIM), adalah campuran dari dua pendekatan yang diketahui, yaitu pemodelan deposisi yang menyatu (FDM) dan cetakan injeksi. Proses fabrikasi AM menghitung tiga langkah: Pertama, lapisan 5 × 5 dari bingkai reflektif optik yang menciptakan cetakan untuk PS-yaitu 25 kubus kosong, dibuka top dan berlapis putih-diproduksi dengan FDM, termasuk lubang untuk serat optik, tanpa struktur pendukung. Di sini, string polimer yang dipilih untuk bingkai didorong melalui nozzle dalam proses yang dikenal sebagai ekstrusi. Setelah cetakan 5 × 5 ini siap, batang logam dimasukkan ke dalam lubang untuk menciptakan ruang bagi serat. Kemudian sistem ekstrusi FDM diganti dengan nozzle memanjang yang menyuntikkan bahan kilau ke dalam cetakan, bergerak dari bawah ke atas di setiap kubus kosong dan memungkinkan bahan yang meleleh untuk menyebar secara merata. Pada langkah ketiga, pukulan yang dipanaskan digunakan untuk memastikan permukaan atas pesawat siap untuk lapisan matriks 5 × 5 berikutnya.
Supercube: prototipe untuk masa depan
Mengikuti prosedur ini, tim mengarang apa yang mereka sebut sebagai supercube, detektor yang menghitung 125 voxel yang terisolasi secara optik, diatur dalam konfigurasi 5 × 5 × 5 dengan dimensi keseluruhan 59 mm (lebar dan panjang) dengan 57,2 mm (tinggi), di mana masing-masing Voxel dibaca oleh dua gelombang orogan. Waktu manufaktur untuk satu voxel diperkirakan sekitar 6 menit: kali ini diperkirakan akan turun setelah proses fabrikasi lebih lanjut otomatis berkat sistem pencetakan 3D yang baru dirancang.
Para peneliti menandai kinerja prototipe mereka dengan data-partikel kosmik, dengan fokus pada hasil cahaya kilau cubuk tunggal yang dicapai dan crosstalk antara voxel. Mereka membandingkan supercube dengan sistem deteksi analog yang diproduksi dengan polimerisasi cor, teknik manufaktur konvensional, dan tidak menemukan penyimpangan yang signifikan dalam kinerja. Crosstalk, yang tergantung pada isolasi optik masing-masing voxel, tampaknya sedikit lebih tinggi dengan FIM tetapi berada pada tingkat beberapa persen, yang dapat diterima untuk pelacakan partikel dalam 3D. “Ini adalah pertama kalinya detektor scintillator cetak 3D mampu mendeteksi partikel bermuatan, seperti yang dari sinar kosmik dan balok uji di CERN, dan merekonstruksi baik jejak dan kehilangan energi mereka,” kata Sgalaberna.
Mendorong batas -batas fisika partikel
Tim telah menguji prototipe baru dengan tujuan mengoptimalkan isolasi optik voxel detektor. Pada saat yang sama, Weber sedang bekerja untuk mendesain ulang seluruh sistem produksi: tujuannya adalah printer otomatis yang meningkatkan proses fabrikasi ke volume detektor yang lebih besar. Seperti yang dicatat SGALABERNA, beralih dari detektor granular dengan 2 juta voxel menjadi satu penghitungan 10 juta akan mewakili peningkatan yang luar biasa untuk eksperimen seperti T2K: semakin besar volume detektor, semakin banyak peristiwa interaksi yang dapat ditangkap. Dengan demikian terlihat seperti solusi pencetakan 3D mungkin – secara harfiah – memungkinkan peneliti fisika partikel untuk berpikir besar.
Referensi: “Pembuatan Aditif Detektor Scintillator Plastik 3D untuk Pelacakan dan Kalorimetri Partikel-Partikel Dasar” oleh Tim Weber, Andrey Boyarintsev, Umut Kose, Botao Li, Davide Sgalaberna, Touling Boing, Johannes Wing, Touldarth, Siddartha, Siddartha, Siddartha, Matthew Franks, Boris Grynyov, Sylvain Hugon, Carsten Jaeschke dan André Rubbia, 5 Maret 2025, Rekayasa Komunikasi.
Doi: 10.1038/s44172-025-00371-z
