Частица влетает в кремниевую пластину, как курьер в незнакомый город: ей нужно не просто доставить сигнал, но и оставить точную запись о времени своего визита. Трёхмерный сенсор на чипе Timepix4 делает эту запись с точностью до 245 пикосекунд, а место встречи указывает с погрешностью всего 7 микрометров. Такую карту города удалось построить на пучке частиц в ЦЕРНе, где сенсор облучали адронами с энергией 180 ГэВ.

Город этот устроен непривычно: вместо плоских улиц в кремнии проложены колонны-электроды, входящие с двух сторон. Частица, попадая между ними, создаёт заряд, который растекается по пикселям, как толпа по переулкам. Но не все кварталы одинаково хороши: возле самих колонн поле неоднородно, и время там измеряется хуже. Оказалось, что если смотреть только на попадания между электродами, разрешение улучшается до 153 пикосекунд, а вот у поверхностей, где встречных колонн нет, оно падает до 720 пикосекунд для одиночных частиц.

Чтобы обойти эти мёртвые кварталы, сенсор наклоняли на 8 градусов. Тогда частицы проходили сквозь него под углом, и эффективность регистрации превысила 99%, а временное разрешение улучшилось ещё на 6% — до 233 пикосекунд. Пространственная точность при этом достигла 7 микрометров, что сравнимо с толщиной паутинки. Такой трюк работает, потому что наклон удлиняет путь частицы и заряд распределяется по большему числу пикселей.

Но почему это важно? Будущий коллайдер высокой светимости будет сталкивать частицы так часто, что в каждом событии родится сразу несколько столкновений. Детектор должен различать, какая частица от какого столкновения, а для этого нужно время лучше 50 пикосекунд. Пока 245 пикосекунд — это лишь шаг к цели, но работа показала, где именно теряется точность. Значит, менять нужно геометрию электродов, а не только чип.

Сегодня эти результаты уже помогают выбрать форму электродов для вершинного детектора LHCb Upgrade II. Тот самый курьер, что влетел в незнакомый город, теперь знает, какие кварталы обходить стороной, чтобы доставить сигнал вовремя. И карта этих кварталов нарисована не наугад, а по данным реального пучка частиц.