دانشمندان آینده‌ی شناسایی ذرات را با چاپ سه‌بعدی می‌سازند.
یک تکنیک جدید در ساخت آشکارسازها می‌تواند فیزیک ذرات با انرژی بالا را برای همیشه تغییر دهد.با استفاده از تولید افزایشی، محققان راهی نوین برای ساخت آشکارسازهای پلاستیکی شیشه‌تاب با هزینه و زمان ساخت به طور چشمگیری کاهش یافته، توسعه داده‌اند. اولین نمونه آنها، سوپرکیوب، قادر به پیگیری ذرات کیهانی است و نقطه عطفی برای فناوری فیزیک ذرات با چاپ سه‌بعدی به شمار می‌آید.
شناسایی نوترینو نسل بعدی
در سال ۲۰۲۴، همکاری T2K پس از ارتقاء آزمایش خود با آشکارسازهای پیشرفته، داده‌های جدیدی از نوترینو جمع‌آوری کرد. یکی از این آشکارسازها، سوپرFGD، یک آشکارساز حساس دو تنی است که از نزدیک به دو میلیون مکعب کوچک ساخته شده است. هر مکعب از پلاستیک شیشه‌تاب (PS) ساخته شده که زمانی که ذرات باردار از آن عبور می‌کنند، نور ساطع می‌کند.
با وجود اینکه خود نوترینوها باردار نیستند، اما گاهی اوقات با ذرات دیگر تعامل کرده و الکترون‌ها، پروتون‌ها، میوئن‌ها یا پیون‌ها تولید می‌کنند که قابل شناسایی هستند. هر مکعب PS شامل سه الیاف نوری است که در جهت‌های مختلف قرار دارند و نور ساطع‌شده را دریافت کرده و به ۵۶,۰۰۰ فتودetector هدایت می‌کنند. این تنظیمات نقشه سه‌بعدی از مسیر ذرات ایجاد می‌کند که به محققان کمک می‌کند تا بینش‌های عمیق‌تری از رفتار نوترینوها به دست آورند.
چالش آشکارسازهای مقیاس بزرگ
ارتقاء آشکارسازها مانند این برای پیشرفت فیزیک ذرات حیاتی است، اما سوال مهمی را مطرح می‌کند: آیا راه بهتری برای ساخت آشکارسازهای مقیاس بزرگ وجود دارد؟ ساخت دستگاهی از دو میلیون مکعب فردی، لایه به لایه، کار عظیمی است. آیا آزمایش‌های فیزیک ذرات می‌توانند از رویکردی کارآمدتر بهره‌مند شوند؟
این چالش‌ها تحقیقاتی را برای پروفسورهای داویده اسگالابرنا و آندره روبیا از مؤسسه فیزیک ذرات و فیزیک اخترشناسی به دنبال داشته است. به همراه دانشمندان از ETH زوریخ، CERN، HES-SO، HEIG-VD، COMATEC-AddiPole و مؤسسه مواد شیشه‌تاب در اوکراین، آنها به تازگی مطالعه‌ای را در Communications Engineering منتشر کرده‌اند. تحقیق آنها یک آشکارساز شیشه‌تاب پلاستیکی کاملاً چاپ‌شده سه‌بعدی برای ذرات اولیه معرفی می‌کند. این کار بخشی از همکاری ۳D چاپ شده DETector (۳DET) است که توسط اسگالابرنا رهبری می‌شود و هماهنگی فنی آن را دکتر اموت کوسه انجام می‌دهد. تیم آنها این کشف را گامی بزرگ به سوی تولید سریع‌تر و مقرون به صرفه‌تر آشکارسازهای ذرات مقیاس بزرگ می‌بیند که راه را برای پیشرفت‌های آینده در علم نوترینو باز می‌کند.
یک مشکل مهندسی در ردیابی ذرات
آشکارسازهای PS این امکان را فراهم می‌آورند که مسیرهای ذرات باردار عبوری از ماده شیشه‌تاب را ردیابی کرده و اتلاف انرژی آنها را با پاسخ زمانی سریع اندازه‌گیری کنند. این ویژگی‌ها باعث موفقیت فزاینده آنها از زمان معرفی آنها در دهه ۱۹۵۰ شده است. در یک PS، مواد فلورسانت به نام فلوئور در یک ماتریس پلیمر جامد وارد می‌شوند. یک ذره باردار که از ماده عبور می‌کند، ماتریس پلیمر را برانگیخته و انرژی برانگیختگی به فلوئورها منتقل می‌شود، که با ساطع کردن نور فرابنفش نزدیک در چند نانوثانیه از حالت برانگیخته خارج می‌شوند. نوع دیگری از فلوئور معمولاً به پلیمر اضافه می‌شود تا طول موج نور ساطع‌شده تغییر کرده و از جذب نور در ماده شیشه‌تاب جلوگیری شود.
نوآوری با تولید افزایشی
«این واقعاً یک مشکل مهندسی است»، می‌گوید تیم وبر، نویسنده اصلی مقاله. او که به عنوان مهندس مکانیک در ETH زوریخ آموزش دیده است، سه سال پیش به گروه فیزیک ماده عجیب و نوترینو در دپارتمان فیزیک و همکاری ۳DET پیوست و تجربه متنوع خود در تولید افزایشی (AM)، معروف به چاپ سه‌بعدی، را وارد این تحقیق کرده است. او به دیدگاه عملی‌تری نسبت به این موضوع می‌پردازد: اگر هدف ساخت آشکارسازهای ذرات بزرگتر با دقت ردیابی عالی است، زمان و هزینه تولید باید کاهش یابد. این نیاز به راه‌حل‌هایی دارد که سرعت تولید را بدون به خطر انداختن کیفیت و عملکرد آشکارساز ذرات تضمین کنند.
راه‌حل سفارشی: مدل‌سازی تزریقی فشرده (FIM)
وب، اسگالابرنا و همکارانشان می‌دانستند که به یک تنظیم سفارشی‌شده برای AM نیاز دارند. فرآیند تولید جدید آنها به نام مدل‌سازی تزریقی فشرده (FIM)، ترکیبی از دو رویکرد شناخته شده، یعنی مدل‌سازی رسوبی فشرده (FDM) و قالب‌گیری تزریقی است. فرآیند تولید AM شامل سه مرحله است: اول، یک لایه ۵ × ۵ از قاب بازتاب‌دهنده نوری که قالبی برای PS ایجاد می‌کند، با FDM تولید می‌شود. پس از آماده شدن این قالب، میله‌های فلزی وارد سوراخ‌ها می‌شوند تا فضایی برای الیاف ایجاد کنند. سپس سیستم FDM با یک نازل کشیده جایگزین شده و ماده شیشه‌تاب به قالب تزریق می‌شود.
سوپرکیوب: یک نمونه برای آینده
پس از این روش، تیم آنها نمونه‌ای به نام سوپرکیوب تولید کرده‌اند که یک آشکارساز ۱۲۵ مکعب نوری ایزوله است که در یک پیکربندی ۵ × ۵ × ۵ با ابعاد کلی ۵۹ میلی‌متر (عرض و طول) و ۵۷.۲ میلی‌متر (ارتفاع) چیده شده است. زمان تولید هر مکعب حدود ۶ دقیقه برآورد شده است که انتظار می‌رود این زمان با خودکار شدن بیشتر فرآیند تولید کاهش یابد.
محققان عملکرد نمونه اولیه خود را با داده‌های ذرات کیهانی بررسی کرده و تمرکز خود را بر روی بازده نور شیشه‌تابی هر مکعب و تداخل بین مکعب‌ها قرار دادند. آنها سوپرکیوب را با سیستم مشابهی که با قالب‌سازی پلیمری تولید شده بود مقایسه کردند و هیچ انحراف قابل توجهی در عملکرد مشاهده نکردند.
پیشرفت مرزهای فیزیک ذرات
تیم در حال آزمایش نمونه‌های جدید با هدف بهینه‌سازی ایزولاسیون نوری مکعب‌های آشکارساز است. در همین حال، وبر در حال طراحی مجدد سیستم تولید کامل است: هدف این است که یک چاپگر خودکار ایجاد شود که فرآیند تولید را برای حجم‌های بزرگتر آشکارساز گسترش دهد.
منبع:
«تولید افزایشی یک آشکارساز شیشه‌تاب پلاستیکی سه‌بعدی برای ردیابی و اندازه‌گیری انرژی ذرات اولیه» توسط تیم وبر، آندری بویارینتسف، اموت کوسه، بوتائو لی، داویده اسگالابرنا، تتیانا سیبیلیاوا، یوهانس ویوترش، سیدارثا برنز، اریک بویلات، آلبرت دو روک، تیل دیمنگر، متیو فرانکز، بوریس گریانوف، سیلوین هوگون، کارستن یاشکه و آندره روبیا، ۵ مارس ۲۰۲۵، Communications Engineering.
نظرات کاربران