يدخل الجسيم إلى لوح سيليكوني كساعي بريد يدخل مدينة غير مألوفة: لا يحتاج فقط إلى توصيل الإشارة، بل أيضًا إلى ترك سجل دقيق لوقت زيارته. المستشعر ثلاثي الأبعاد على رقاقة Timepix4 يسجل هذا الوقت بدقة تصل إلى 245 بيكو ثانية، ويحدد مكان اللقاء بهامش خطأ لا يتجاوز 7 ميكرومترات. تمكنوا من رسم خريطة المدينة هذه على حزمة جسيمات في سيرن، حيث تم تشعيع المستشعر بهادرونات بطاقة 180 جيجا إلكترون فولت.

هذه المدينة غير معتادة في بنيتها: فبدلاً من الشوارع المسطحة، توجد في السيليكون أعمدة كهربائية تخترقه من الجانبين. عندما يصطدم الجسيم بينها، يولّد شحنة تنتشر عبر البكسلات كحشد يتدفق في الأزقة. لكن ليست كل الأحياء جيدة بنفس القدر: فبالقرب من الأعمدة نفسها، يكون المجال غير متجانس، ويُقاس الوقت هناك بشكل أسوأ. اتضح أنه إذا نظرنا فقط إلى الاصطدامات بين الأقطاب الكهربائية، تتحسن الدقة إلى 153 بيكو ثانية، بينما عند الأسطح التي لا توجد فيها أعمدة متقابلة، تنخفض إلى 720 بيكو ثانية للجسيمات المفردة.

لتجاوز هذه الأحياء الميتة، تم إمالة المستشعر بزاوية 8 درجات. عندها مرت الجسيمات عبره بزاوية، فتجاوزت كفاءة التسجيل 99%، وتحسنت الدقة الزمنية بنسبة 6% إضافية لتصل إلى 233 بيكو ثانية. كما وصلت الدقة المكانية إلى 7 ميكرومترات، وهو ما يعادل سمك خيط العنكبوت. تنجح هذه الحيلة لأن الميل يطيل مسار الجسيم، فتتوزع الشحنة على عدد أكبر من البكسلات.

لكن لماذا هذا مهم؟ سوف يصطدم مصادم المستقبل عالي الإضاءة بالجسيمات بشكل متكرر لدرجة أنه في كل حدث ستولد عدة تصادمات في وقت واحد. يجب أن يميز الكاشف أي جسيم ناتج عن أي تصادم، ولهذا يحتاج إلى وقت أفضل من 50 بيكو ثانية. حتى الآن، 245 بيكو ثانية هي مجرد خطوة نحو الهدف، لكن العمل أظهر أين تضيع الدقة بالضبط. هذا يعني أننا بحاجة إلى تغيير هندسة الأقطاب الكهربائية، وليس فقط الرقاقة.

اليوم، تساعد هذه النتائج بالفعل في اختيار شكل الأقطاب الكهربائية لكاشف القمم LHCb Upgrade II. ذلك الساعي الذي دخل المدينة غير المألوفة يعرف الآن أي الأحياء يجب أن يتجنبها ليصل بالإشارة في الوقت المحدد. وخريطة هذه الأحياء لم تُرسم عشوائيًا، بل بناءً على بيانات من حزمة جسيمات حقيقية.