Une particule chargée traverse un capteur en silicium et laisse derrière elle une traînée d'électrons libres. Le temps que met cette charge à se rassembler sur l'électrode dépend de la profondeur à laquelle elle est née dans le cristal. Une particule qui entre droit trace des trajectoires identiques dans les pixels voisins — et leurs signaux arrivent presque en même temps. Mais dès qu'elle s'incline, un pixel voit le début du trajet près de la surface, tandis qu'un autre le voit près du bord opposé. La différence de temps de déclenchement peut atteindre des centaines de picosecondes (milliardièmes de seconde).
C'est cette particularité qu'ont exploitée les auteurs de l'étude. Ils ont utilisé des diodes à avalanche en silicium à faible gain — des éléments sensibles capables de marquer le temps avec une précision de quelques dizaines de picosecondes. En simulant le passage de particules à travers une matrice de tels pixels, ils ont remarqué que si la trace traverse trois cellules ou plus en biais, les délais entre elles s'organisent selon une loi claire. Il s'est avéré que ces délais permettent de calculer l'angle sans recourir à des couches de détection supplémentaires. Une simple formule linéaire relie la différence de temps à la tangente de l'angle d'inclinaison de la trajectoire.
Le principal ennemi de la précision est la fluctuation aléatoire des pertes d'énergie (les fluctuations de Landau). Lorsqu'une particule ralentit dans la matière, elle cède son énergie de manière irrégulière : parfois un peu plus, parfois un peu moins. Cela brouille les horodatages et limite à la fois la résolution angulaire et la proportion de traces pour lesquelles l'angle peut être reconstruit. Curieusement, un simple modèle linéaire atteint presque la limite théorique imposée par ces fluctuations. Cela signifie que ce n'est pas l'astuce de l'algorithme, mais la géométrie même de la collecte de charge qui détermine à quel point nous pouvons mesurer la direction d'une particule.
Une différence de quelques centaines de picosecondes entre pixels voisins, c'est comme si deux sprinteurs sur 100 mètres franchissaient la ligne d'arrivée avec un écart équivalent au temps que met la lumière pour parcourir un millième de l'épaisseur d'un cheveu humain.
Dans l'univers de « Star Trek », les détecteurs de particules des vaisseaux doivent déterminer instantanément les trajectoires des micrométéorites ; la méthode de cet article est un pas vers cela sans capteurs multicouches encombrants.