Около трёх лет назад я написал на Хабре статью «Смартфоновая металлургия и цена комфорта», в которой подробно разобрал состав айфона — словом, осветил технологическую незаменимость редкоземельных металлов, когда это ещё не было мейнстримом. С тех пор я время от времени задумывался, какими темпами улучшается качество смартфоновых дисплеев и камер, и какое применение эти технологии могут найти в науке. Но недавно мне попалась история о том, что в уже в этом году хитроумные физики из ЦЕРН и Мюнхенского технологического университета (TUM) соорудили на основе светочувствительного элемента из смартфонной камеры компактный детектор античастиц.

Предыстория этого сюжета уходит корнями в 2023 год, когда группа под руководством Йонатана Вюртеле из ЦЕРН решила собрать достаточное количество антивещества и проверить, падает ли антивещество вниз. В качестве материала для этого опыта использовались антипротоны (атомы антиводорода), полученные на замедлителе AD, установленном в ЦЕРН. Ранее уважаемый @SLY_G писал на Хабре о симуляции, также подтвердившей, что антивещество подчиняется гравитации в той же мере, что и обычное вещество. Без опыта это было неочевидно; поскольку антиматерия практически по всем физическим свойствам противоположна обычной материи (и при этом вещество и антивещество при контакте аннигилируют). Следуя этой логике, антиматерия должна падать вверх, то есть, проявлять антигравитационные свойства. Но данная гипотеза не подтвердилась — антиводород исправно падал вниз.

Падение атомов антиводорода распознаётся по вспышкам, в результате которых возникают различные пионы.

Длительность жизни большинства пионов составляет около 2,6⋅10⁻⁸ с., после чего они аннигилируют — акт аннигиляции и сопровождается вспышкой. Учёные из коллаборации AEgIS, базирующейся в Мюнхене, более года пытались найти детектор для надёжной фиксации таких событий, пока в апреле 2025 года не приспособили для этой цели сенсоры, взятые из камеры смартфона.    

Коллаборацию AEgIS возглавляет профессор Кристоф Хугеншмидт, работающий на исследовательском источнике нейтронов FRM II в Техническом университете Мюнхена (TUM). Именно он и изобрёл такой сенсор, конструкцию которого описал в статье, опубликованной в журнале Science Advances. Вот как выглядит этот прибор:

Аббревиатура «AEgIS» означает «Антиводородный эксперимент: гравитация, интерферометрия, спектроскопия». Этот эксперимент проводится на «Фабрике антиматерии» наряду с альтернативными ALPHA и GBAR, и технологически эти эксперименты устроены каждый по-своему. В рамках AEgIS пробуют получить горизонтальный пучок ядер водорода и измерить его сдвиг по горизонтали при помощи муарового дефлектометра. Судить об отклонении можно по тому, где именно фиксируются точки аннигиляции. Ниже схематически представлен этот процесс:

Оказалось, для AEgIS требуется детектор с таким пространственным разрешением, при котором размер пикселя у сенсора составляет не более 1 мкм. Для этого был собран инструмент OPHANIM (Оптический Отображатель Фотонов и Антиматерии), показанный на иллюстрации выше. В нём объединено 60 КМОП-сенсоров модели Sony IMS686, установленной, например, в телефонах Poco F2 Pro, показанных на заглавной картинке к этой статье. Получилась матрица с максимальным имеющимся сегодня разрешением: 3840 мегапикселей. Ранее для таких опытов использовались фотопластинки, но OPHANIM не только фиксирует события аннигиляции с разрешением около 600 нанометров, но и пригоден для диагностики в режиме реального времени и для автокалибровки. Кроме того, сама поверхность хорошо подходит для улавливания частиц. Вот как на ней выглядят события аннигиляции:

Опыт был прорывным в количественном отношении, но не в качественном: ранее уже было показано, что такие «потребительские» сенсоры с отличным разрешением регистрируют низкоэнергетические позитроны. Франческо Гуатиери, руководивший этим опытом и сборкой самого прибора OPHANIM, признавался, что идея оказалась очень сложна в исполнении: требовалось аккуратно удалить с сенсора слои, рассчитанные на работу с электроникой мобильного телефона, а затем заняться микроинженерией.

Оказалось, что прибор отлично регистрирует события аннигиляции, но не может их интерпретировать (вычленять). За неимением соответствующего алгоритма команда AEgIS подготовила более 2500 снимков с детектора, после чего их принялись разбирать аспиранты. По подсчётам учёных, на то, чтобы отыскать один аннигиляционный след, потребовалось от 5 до 10 человеко-часов работы.  

Варианты применения технологии

В отчётной статье об этом эксперименте авторы пишут, что подобные матрицы могли бы найти применение в прикладных областях, где требуется точно отслеживать большое количество частиц, например, в биоинженерии. Можно предположить, что, если адаптировать матрицу для работы с ультрафиолетовым или другим коротковолновым излучением, прибор нашёл бы применение в лучевой терапии: позволял бы отслеживать опухоли и метастазы в режиме реального времени и значительно снизить дозу облучения. Другая многообещающая область — квантовые вычисления, а именно быстрое обнаружение ошибок в кубитах (что одновременно поспособствовало бы разработке алгоритмов для такого детектирования). Наконец, чувствительный слой является модульным, а поэтому должен хорошо масштабироваться. Теоретически его можно выпускать в рыночной версии, например, для любительской астрономии или микрофотографии, а также изготавливать такие детекторы для новых космических миссий. Вместе с модульностью приходит избыточность: прибор мог бы долго сохранять работоспособность, даже если часть сенсоров выйдет из строя. При использовании в космосе он помог бы уточнить наши представления об антивеществе, например, о его содержании в кометах, а возможно открыть и пока не известные источники позитронов.