16:03 2019年10月14日
Процесс столкновения элементарных частиц

科學家們移近了超快顯微鏡的「新時代」

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俄羅斯
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乳狀液軌道檢波器方法(乳狀液軌道檢波器)在實驗物理學中已有60多年的積極應用,在測量基本粒子運動軌道的精度方面尚未被超越。俄羅斯科學家參與的國際合作為其應用開闢了全新的前景,其中包括國立研究技術大學「MISIS」的員工(國立研究技術大學「MISIS」)。

工作原理和歷史

乳狀液軌道檢波器方法的作用方式可以描述為:帶電粒子穿過乳狀液的厚度,沿著它的路徑"激活"溴化銀晶體,在發展過程中,這些晶體被轉化為金屬銀的納米顆粒 ("顆粒")。
安托萬·貝克勒爾在核物理中首次使用了這種方法,在1896年,貝克勒爾通過使照相底片變黑髮現了鈾鹽的放射性。
乳狀液軌道檢波器方法是在1947年發現π-介子後公認的。他在基本粒子物理學方面做出了重大發現:發現 π--與K-介子的核相互作用, π0-介子(10-16 s)壽命的估算,發現К-介子蛻變為三種介子,第一次觀察"魔力"的粒子和"可愛"的粒子蛻變為"魔力"的粒子,第一次觀察到在中微子相互作用中"魔力"粒子的誕生。

乳狀液軌道檢波器方法的基本問題是用光學顯微鏡測量組成粒子軌跡的納米粒子的坐標。幾十年來,這些測量都是手工完成的。在機器人顯微鏡的幫助下,這一過程的自動化使消除繁重的人力勞動成為可能並對乳狀液軌道檢波器方法在DONUT和OPERA實驗中的應用做出了可能的突破。
DONUT是Fermilab實驗室的一項實驗,旨在尋找Tau-中微子之間的相互作用。檢波器在1997年夏天運作,成功探測到Tau-中微子,在此之前,標準模型中唯一的(希格斯玻色子除外)粒子是無法直接觀測到的。
OPERA實驗的主要目的是對Tau中微子進行配准,其由中微子振蕩產生的介子中微子。這束介子中微子是在歐洲核子研究中心(瑞士)產生的,並被送往格蘭薩索(意大利)的實驗室。在732公里的地下飛行,光束到達了OPERA的位置,在那裡它被註冊為乳狀液檢波器。
2010年,第一個直接的證據表明,介子中微子可以轉化為Tau-中微子,這證實了中微子振蕩的假設。
現代的機器人顯微鏡
今天,數以百萬計的乳狀液薄膜被用於多噸軌道檢波器,並使用自動顯微鏡進行光學掃描(自動顯微鏡)。
由於這種"機器人顯微鏡"的速度限制了乳狀液檢波器的適用性,科學家們正在積極尋找一種方法使它們更快,並創造下一代機器人。
新一代自動顯微鏡是配備了高精度機械、高品質光學和高速攝像機的機器人。自動顯微鏡的工作速度比人類顯微鏡工作者快數百萬倍,而且一天24小時都能工作而不感到疲倦。

國立研究技術大學"MISIS"和國立核物理研究所(意大利拿波里INFN)的員工在"Scientific Reports"  中通知,他們開發了一種簡單而經濟的技術,可以將自動顯微鏡速度提高100倍。據俄新社報道,國立研究技術大學"MISIS"和INFN員工安德烈·亞歷山德羅夫表示:

"我們打算創造和測試一個新一代的工作原型,使用我們實現的旋轉焦平面的技術。100倍於顯微鏡的速度將顯著增加處理數據的數量,減少分析的時間,而且不需要很大的經濟成本。"

提高顯微鏡的速度將有助於許多行業的科學家:醫學、核物理、天體物理、中微子物理、考古學、地質學、火山學、考古學。進一步發展全自動光學掃描技術和新一代自動顯微鏡將擴展乳狀液軌道檢波器方法的適用範圍,並創建包含數千萬核乳液膜的檢波器。

"我認為新一代自動顯微鏡必然是多攝像頭的,並且將使用鏡頭聚焦平面的斜率。我們已經開始探索利用激光光源和全息術原理來創造未來幾代超高速自動顯微鏡的可能性。日本名古屋大學利用標準掃描技術,用72台攝像機和一個巨大的超廣角鏡頭,打造了一款獨特的顯微鏡Hyper Track Selector。使用我們的技術,同樣的掃描速度可以用14個攝像機和最普通的鏡頭來實現,這幾乎要便宜一個數量級。"

安德烈·亞歷山德羅夫聲明。

未來檢波器:從暗物質到腫瘤學

在未來,用這種檢波器進行的科學實驗將尋找暗物質粒子,研究中微子物理學,研究強子治療癌症所需的離子破碎,保護行星際任務的宇航員免受宇宙射線的傷害。
用於檢測數百萬薄膜核乳狀液的檢波器已經具備:OPERA檢波器大約有900萬層薄膜(相當於11萬平方米的表面)。下一個記錄創造者將在大約10年內進行一項發現暗物質NEWSdm(Nuclear Emulsions for WIMP Search with directional measurement)的實驗。
這是第一個也是迄今為止唯一一個發現暗物質粒子的實驗,該實驗使用納米乳液薄膜來記錄在與暗物質粒子碰撞時產生的反衝核的方向(其他類似實驗的檢波器在低壓下充入氣體)。

這裡真正的挑戰是需要處理幾十噸納米乳狀液跟蹤器,並確定長度小於現代顯微鏡衍射極限的軌跡的方向。這將有助於通過本實驗開發的創新超分辨率技術實現快速自動顯微鏡。
類似"明天"實驗的其他例子是FOOT (Fragmentation Of Target) 和 SHiP (Search for Hidden Particles)。
FOOT研究質子和碳離子在光束穿過患者組織時的相互作用。離子破碎參數的知識對於優化癌症激素治療計劃系統和開發新的方法來保護未來星際任務的宇航員免受宇宙輻射是必要的。
SHiP實驗的中微子檢波器將使用大量的乳狀液膜來研究Tau-中微子物理,尋找能量為400 京電子伏的質子相互作用中產生的光暗物質粒子。

 

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