В огромных ускорителях частицы пролетают детекторы за миллиардные доли секунды, и чтобы отличить одну от другой, нужен секундомер невероятной точности. Новый детектор µRWELL-PICOSEC действует как такой секундомер: он ловит момент пролёта частицы с точностью до 48 пикосекунд — это 48 триллионных долей секунды.
Секрет в том, что детектор объединяет два явления. Когда заряженная частица влетает в прозрачный материал, она порождает слабую вспышку света — как самолёт, преодолевающий звуковой барьер, оставляет за собой ударную волну. Этот свет падает на тонкий слой цезия-йодида, который выбивает электроны. Дальше электроны разгоняются в газовой камере с микроперфорированной фольгой, и сигнал усиливается в тысячи раз. Так слабая вспышка превращается в чёткий электрический импульс.
На испытаниях детектор размером 10 на 10 сантиметров обстреливали мюонами с энергией 150 ГэВ — это частицы, похожие на электроны, но в 200 раз тяжелее. Измеряя время на двух отдельных площадках детектора, инженеры получили разрешение 48 и 52 пикосекунды при разных настройках. Такая точность позволяет различать частицы, которые летят почти с одинаковой скоростью, — например, в экспериментах по поиску новых частиц или в позитронно-эмиссионной томографии, где важно точно знать, где аннигилировала частица.
Пока что сигнал снимали обычным осциллографом с одного канала, но в будущем детектор можно оснастить многоканальной электроникой, чтобы следить за частицами по всей площади. Тогда секундомер станет ещё и картой — и физики получат инструмент, который одновременно видит и где, и когда пролетела частица.
За 48 пикосекунд свет успевает пройти всего около полутора сантиметров — меньше ширины мизинца.