Ein Neutrino einzufangen, ist bekanntermaßen schwierig. Diese „Geisterteilchen" durchdringen gewöhnliche Materie fast spurlos. Deshalb bauen Physiker riesige, dichte Detektoren und zerteilen sie in immer feinere Stücke, um die schwachen Lichtblitze aufzufangen, die ein Teilchen hinterlässt. Ein Prototyp aus der Schweiz legt nun nahe, dass es einen weit einfacheren Weg geben könnte – indem man den Detektor wie eine Kamera behandelt.

Forscher der ETH Zürich und der EPFL haben den ersten Demonstrator eines Systems namens PLATON getestet, das die dreidimensionale Spur eines Teilchens in einem einzigen massiven Block aus Szintillator abbildet – jenem lichtaussendenden Material, mit dem sich geladene Teilchen nachweisen lassen. Die Arbeit und die begleitenden Simulationen erschienen in Nature Communications.

Von Millionen Fasern zu einem Block

Der heutige Ansatz kann verblüffend aufwendig sein. Im japanischen Neutrino-Experiment T2K steckt ein Detektor rund zwei Tonnen empfindliches Material in etwa zwei Millionen Würfel, durchzogen von 60.000 Lichtleitfasern; andere Experimente setzen auf Millionen haarfeiner Szintillatorfasern. Wachsen die Detektoren, wird diese Segmentierung zum Engpass bei Kosten und Technik.

PLATON verzichtet vollständig auf die Fasern. Stattdessen beobachtet das System den leuchtenden Block mit einer Lichtfeldkamera – einem Mikrolinsen-Array in Verbindung mit einem schnellen Einzelphotonensensor namens SwissSPAD2. Der Sensor erfasst nicht nur, wo Licht entsteht, sondern auch präzise, wann – 97.000-mal pro Sekunde. Aus dieser Flut zeitlich vermessener Blitze kann das Team die Bahn eines Teilchens durch Material rekonstruieren, das gar nicht physisch unterteilt wurde.

In Labortests und Simulationen rund um den Neutrino-Nachweis rekonstruierte der Prototyp die Positionen der Teilchen auf etwa 200 Mikrometer genau. Die Forscher erwarten, dass weitere Arbeit an der Optik die Auflösung selbst in Detektoren von mehr als einem Kubikmeter unter einen Millimeter drücken wird.

Der Nutzen reicht über Neutrinos hinaus. Dieselbe Technik könnte die Kalorimeter an Teilchenbeschleunigern und manche Suchen nach Dunkler Materie verschlanken – und so die Komplexität und womöglich die Kosten jener Instrumente senken, auf die Physiker angewiesen sind, um die schwer fassbarsten Zutaten des Universums zu erforschen. Der Prototyp ist ein erster Schritt, doch er weist auf Detektoren hin, die zugleich größer, einfacher und schärfer sind.