CERN 的科学家们建造了一个使用手机相机传感器构建的 3840MP 像素探测器，用于追踪反氢在重力下的坠落。这可能会彻底改变反物质实验，实现实时、超高精度的成像。

通过使用反氢束和一个由改进的手机相机传感器制成的突破性探测器，AEgIS 实验以前所未有的分辨率捕捉到了微小的位移。这种尖端的“光学光子与反物质成像仪(Optical Photon and Antimatter Imager, OPHANIM)”不仅达到了旧式照相底片的精度，还增加了实时能力和更广泛的科学潜力，为下一代反物质研究打开了大门。

测量反氢的重力坠落

在 CERN 的反物质工厂，科学家们正在努力测量反氢在地球重力下的行为，旨在确定它的坠落方式是否与普通物质相同。包括 AEgIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy)、ALPHA 和 GBAR 在内的多个实验，正在使用不同的方法来解决这个问题。

AEgIS 实验创建了一个水平的反氢束，并追踪它在行进过程中垂直方向的偏移量。为此，研究人员使用了一种叫做莫尔条纹偏转仪的设备，它可以检测到粒子路径中的微小变化，以及一个可以捕捉到反氢原子湮灭的确切位置的探测器。

高分辨率探测器的创新

“为了使 AEgIS 工作，我们需要一个具有极高空间分辨率的探测器，而手机相机传感器的像素小于 1 微米，”来自慕尼黑工业大学 (TUM) 的研究中子源 FRM II 的 Francesco Guatieri 说道，他也是该研究的首席研究员。

“我们已经将 60 个这样的传感器集成到一个单一的摄影探测器中，即光学光子与反物质成像仪 (OPHANIM)，它目前拥有最高数量的像素：3840MP 像素。以前，照相底片是唯一的选择，但它们缺乏实时能力。我们的解决方案，已经用反质子进行了演示，可以直接应用于反氢，它将照相底片级别的分辨率、实时诊断、自校准和良好的粒子收集表面结合在一个设备中。”

用于物理学的转换移动传感器

具体来说，研究人员使用了光学图像传感器，这些传感器之前已经被证明能够以空前的分辨率实时成像低能量正电子。

“我们必须剥离传感器的第一层，这些层是为了处理手机的先进集成电子设备而制造的，”Guatieri 说。“这需要高水平的电子设计和微工程。”

更广泛的物理研究潜力

“对于观察水平移动的反氢束中由重力引起的微小位移来说，这是一项具有颠覆性的技术，它也可以在那些高位置分辨率至关重要的实验中找到更广泛的应用，或者用于开发高分辨率的追踪器，”AEgIS 发言人 Ruggero Caravita 博士说。

“这种非凡的分辨率也使我们能够区分不同的湮灭碎片，从而为低能量反粒子在材料中的湮灭的新研究铺平了道路，”Caravita 总结道。

参考文献：“Real-time antiproton annihilation vertexing with submicrometer resolution” by Michael Berghold, Davide Orsucci, Francesco Guatieri, Sara Alfaro, Marcis Auzins, Benedikt Bergmann, Petr Burian, Roberto Sennen Brusa, Antoine Camper, Ruggero Caravita, Fabrizio Castelli, Giovanni Cerchiari, Roman Jerzy Ciuryło, Ahmad Chehaimi, Giovanni Consolati, Michael Doser, Kamil Eliaszuk, Riley Craig Ferguson, Matthias Germann, Anna Giszczak, Lisa Glöggler, Łukasz Graczykowski, Malgorzata Grosbart, Natali Gusakova, Fredrik Gustafsson, Stefan Haider, Saiva Huck, Christoph Hugenschmidt, Malgorzata Anna Janik, Tymoteusz Henryk Januszek, Grzegorz Kasprowicz, Kamila Kempny, Ghanshyambhai Khatri, Łukasz Kłosowski, Georgy Kornakov, Valts Krumins, Lidia Lappo, Adam Linek, Sebastiano Mariazzi, Pawel Moskal, Dorota Nowicka, Piyush Pandey, Daniel PĘcak, Luca Penasa, Vojtech Petracek, Mariusz Piwiński, Stanislav Pospisil, Luca Povolo, Francesco Prelz, Sadiqali Rangwala, Tassilo Rauschendorfer, Bharat Rawat, Benjamin Rienäcker, Volodymyr Rodin, Ole Røhne, Heidi Sandaker, Sushil Sharma, Petr Smolyanskiy, Tomasz Sowiński, Dariusz Tefelski, Theodoros Vafeiadis, Marco Volponi, Carsten Peter Welsch, Michal Zawada, Jakub Zielinski, Nicola Zurlo and AEḡIS Collaboration, 2 April 2025, Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.ads1176

TUM 工程与设计学院的硕士生 Michael Berghold 和 Markus Münster 在该项目中发挥了关键作用。