Ученые приблизили «новый век» сверхбыстрой микроскопии

0

Метод эмульсионных трековых детекторов (ЭТД) уже более 60 лет активно используется в экспериментальной физике и до сих пор не превзойден по точности измерения траекторий элементарных частиц. Совершенно новые перспективы его применения открывает работа международных коллабораций с участием российских ученых, в том числе, сотрудников Национального исследовательского технологического университета "МИСиС" (НИТУ "МИСиС").

Принцип работы и история

Способ действия метода ЭТД можно описать так: заряженная частица, пролетая сквозь толщу эмульсии, "активирует" вдоль своего пути кристаллы бромистого серебра, которые в процессе проявки превращаются в наночастицы ("зерна") металлического серебра.

Впервые этот метод применил в ядерной физике Антуан Беккерель, который в 1896 году обнаружил радиоактивность солей урана по вызываемому ими почернению фотопластинки.

Всеобщее признание метод ЭТД получил после открытия π-мезона в 1947 году. Он помог сделать важнейшие открытия в физике элементарных частиц: обнаружение ядерных взаимодействий π⁻— и К⁻-мезонов, оценку времени жизни π⁰-мезона (10⁻¹⁶ с), обнаружение распада К-мезона на три пиона, первое наблюдение "очарованных" частиц и распадов "прелестных" частиц в "очарованные", первое наблюдение рождения "очарованных" частиц в нейтринных взаимодействиях.

Существенная проблема метода ЭТД — трудоемкость измерения при помощи оптических микроскопов координат наночастиц, образующих трек частицы. Десятки лет эти изменения проводились вручную. Автоматизация процесса с помощью роботизированных микроскопов позволилa исключить тяжелый человеческий труд и сделала возможными прорывные применения метода ЭТД в экспериментах DONUT и OPERA.

DONUT был экспериментом Fermilab по поиску тау-нейтринных взаимодействий. Детектор работал в течение лета 1997 года и успешно обнаружил тау-нейтрино — до того единственную (за исключением бозона Хиггса) частицу Стандартной модели, которая не была доступна для непосредственного наблюдения.

Основной задачей эксперимента OPERA была регистрация тау-нейтрино, рожденных из мюонных нейтрино в результате нейтринных осцилляций. Пучок мюонных нейтрино производился в ЦЕРНе (Швейцария) и направлялся к лабораториям Гран Сассо (Италия). Пролетев под землей 732 км, пучок достигал места расположения OPERA, где регистрировался его эмульсионным детектором.

В 2010 году были получены первые прямые доказательства того, что мюонные нейтрино могут превращаться в тау-нейтрино — это подтвердило гипотезу нейтринных осцилляций.

Современные роботы-микроскопы

В многотонных трековых детекторах сегодня используются миллионы эмульсионных пленок, а для их оптического сканирования применяется автоматизированная микроскопия (АМ).

Поскольку скорость работы таких "робо-микроскопов" ограничивает применимость эмульсионных детекторов, ученые активно ищут способ сделать их быстрее и создать роботы следующего поколения.

АМ нового поколения — роботы, оснащенные высокоточной механикой, высококачественной оптикой и высокоскоростной видеокамерой. АМ действует в миллионы раз быстрее микроскописта-человека, при этом может работать, не уставая, 24 часа в сутки.

Сотрудники НИТУ "МИСиС" и Национального института ядерной физики (INFN, Неаполь, Италия) сообщили в "Scientific Reports" о том, что разработали простую и экономически выгодную технологию, позволяющую повысить скорость работы АМ в 100 раз.

«Мы намерены создать и тестировать рабочий прототип нового поколения, использующий реализованную нами технологию поворота фокальной плоскости. В 100 раз выросшая скорость микроскопов позволит значительно увеличить объем обрабатываемых данных и уменьшить время их анализа без больших финансовых затрат», — сообщил РИА Новости сотрудник НИТУ «МИСиС» и INFN Андрей Александров.

Рост скорости микроскопов поможет ученым во многих отраслях: в медицине, ядерной физике, астрофизике, физике нейтрино, археологии, геологии, вулканологии, археологии. Дальнейшее развитие технологии полностью автоматизированного оптического сканирования и АМ нового поколения позволит расширить границы применимости метода ЭТД и создать детекторы, содержащие десятки миллионов пленок ядерной фотоэмульсии.

«Думаю, новое поколение АМ обязательно будет многокамерным и будет использовать наклон плоскости фокуса объектива. Мы уже начали исследовать возможности использования лазерных источников света и принципов голографии для создания последующих поколений сверхбыстрых АМ. В Нагойском университете в Японии сейчас построили уникальный микроскоп Hyper TrackSelector с 72 видеокамерами и огромным сверхширокоугольным объективом, но использующим стандартную технику сканирования. Используя нашу технологию, такую же скорость сканирования можно достичь уже с 14 видеокамерами и с самым обычным объективом, что будет почти на порядок дешевле», — заявил Андрей Александров.

Будущее детекторов: от темной материи до онкологии

В будущем научные эксперименты с подобными детекторами займутся поиском частиц темной материи, исследованиями физики нейтрино, изучением фрагментации ионов для нужд адронотерапии рака и защиты экипажей межпланетных миссий от космических лучей.

Детектор на миллионы пленок ядерной фотоэмульсии уже есть: у детектора OPERA около 9 миллионов пленок (эквивалентно около 110 тысяч кв. метров поверхности). Следующим рекордсменом примерно через 10 лет может стать эксперимент по поиску темной материи NEWSdm (Nuclear Emulsions for WIMP Searchwith directional measurement).

Это первый и пока единственный эксперимент по поиску частиц темной материи, который использует нано-эмульсионные пленки для регистрации направления ядер отдачи, рожденных в столкновениях с частицами темной материи (детекторы остальных подобных экспериментов наполнены газом при низком давлении).

Настоящий вызов здесь — необходимость обработать десятки тонн нано-эмульсионных трекеров и определить направления треков, длина которых короче дифракционного предела современных микроскопов. Этого помогут добиться быстрые АМ за счет инновационной технологии супер-разрешения, разработанной сотрудниками эксперимента.

Другие примеры таких экспериментов "завтрашнего дня" — FOOT (Fragmentation Of Target) и SHiP (Search for HiddenParticles).

FOOT изучает взаимодействие протонов и ионов углерода при прохождении пучков в тканях пациента. Знание параметров фрагментации ионов необходимо для оптимизации систем планирования адронотерапии рака и разработки новых способов защиты экипажей будущих межпланетных миссий от космического излучения.

Нейтринный детектор эксперимента SHiP будет использовать большое количество эмульсионных пленок для изучения физики тау-нейтрино и поиска частиц легкой темной материи, рожденных во взаимодействиях протонов с энергией 400 ГэВ.