과학자들이 3차원 공간에서 보이지 않는 입자를 추적할 수 있는 카메라를 개발했습니다.

분할되지 않은 섬광체 물질로 이루어진 대용량 영역 내 입자의 초고속, 3D, 고해상도 이미징이 가능한 새로운 단일체 검출기 시스템의 첫 번째 프로토타입을 보여주는 그림. 출처: ETH 취리히/스갈라베르나 그룹

물리학 분야의 획기적인 발견 중 일부는 완전히 새로운 발명에서 비롯됩니다. 또 다른 발견은 새로운 이론에서 시작됩니다. 하지만 많은 발전은 연구자들이 익숙한 기술들을 예상치 못한 방식으로 결합하여 개별 구성 요소들을 합친 것보다 훨씬 강력한 결과를 만들어낼 때 이루어집니다.

이러한 전략은 중성미자나 특정 암흑물질 후보 물질을 포함한 약하게 상호작용하는 입자를 찾는 데 특히 유용할 수 있습니다. 이러한 입자들은 일반 물질과 거의 상호작용하지 않기 때문에 탐지하기가 매우 어렵습니다. 더 큰 검출기를 제작하고 공간 해상도를 향상시키면 이러한 입자들이 만들어내는 미약한 신호를 관측할 확률이 높아지지만, 그렇게 하면 장비가 더 복잡해지고 비용도 많이 드는 경우가 많습니다.

입자 가속기 실험에서 입자가 지닌 에너지를 측정하는 데 사용되는 장치인 열량계에도 유사한 요구 사항이 적용됩니다.

입자 검출기가 왜 그렇게 복잡할까요?

대부분의 입자 물리학 실험에서는 입자들이 밀도가 높은 물질의 큰 부피를 통과할 때의 3차원(3D) 경로를 재구성해야 합니다.

흔히 사용되는 검출기 재료 중 하나는 섬광체입니다. 대전된 입자가 섬광체를 통과할 때, 이 물질은 미세한 가시광선 섬광을 방출합니다. 과학자들은 이 섬광을 이용하여 입자가 어디로 이동했는지, 그리고 검출기와 어떻게 상호작용했는지를 파악합니다.

입자의 위치를 ​​정확히 파악하기 위해 섬광 검출기는 일반적으로 수많은 작은 활성 영역으로 나뉩니다. 광섬유는 각 영역에서 생성된 광자를 모아 광증폭관 또는 실리콘 광증폭기로 전달하고, 광증폭기는 이 광자들을 계수합니다.

이 접근 방식은 매우 정확할 수 있지만 확장성이 떨어집니다.

예를 들어 일본의 T2K 중성미자 진동 실험은 약 200만 개의 정육면체와 6만 개의 광섬유로 구성된 약 2톤의 감지 물질을 사용하는 검출기를 사용합니다. CERN과 파울 쉐러 연구소의 LHCb 및 Mu3e 실험은 수백만 개의 얇은 섬광 광섬유를 사용하여 1mm 미만의 공간 해상도를 달성합니다.

이러한 시스템은 분할형 검출기가 달성할 수 있는 성과를 보여주지만, 동시에 점점 심각해지는 문제점도 드러냅니다. 검출기가 커짐에 따라 수백만 개의 개별 부품을 제조, 조립 및 판독하는 과정이 주요 기술적, 재정적 병목 현상이 될 수 있습니다.

입자 추적에 대한 혁신적인 새로운 접근 방식

취리히 연방 공과대학(ETH Zurich)과 유럽연방공과대학(EPFL)의 연구진은 이제 완전히 다른 전략을 제안하고 있습니다.

박사 과정 학생인 틸 디밍거, 선임 연구원인 사울 알론소-몬살베 박사, 다비데 스갈라베르나 교수와 그의 연구팀 동료들은 에도아르도 샤르본 교수가 이끄는 로잔 EPFL의 첨단 양자 아키텍처 연구소 구성원들과 함께, 분할되지 않은 대형 섬광체 물질 블록 내부에서 초고속, 고해상도 3D 입자 이미징을 수행하도록 설계된 검출기의 첫 번째 프로토타입을 개발하고 테스트했습니다.

검출기를 수백만 개의 미세한 단위로 나누는 대신, 이 시스템은 첨단 카메라 기술을 사용하여 빛이 어디에서 발생했는지 재구성합니다.

시제품 시연 및 광범위한 시뮬레이션 시리즈에 대한 내용은 최근 Nature Communications 에 게재되었습니다 .

라이트 필드 사진술을 물리학 도구로 활용하기

이 검출기는 라이트 필드 카메라라고도 알려진 플레놉틱 카메라에서 영감을 얻었습니다.

일반 카메라가 주로 입사광의 강도만을 기록하는 것과 달리, 라이트 필드 카메라는 빛이 들어온 방향에 대한 정보도 포착합니다. 이를 통해 깊이감을 복원하고 장면을 3차원으로 재구성할 수 있습니다.

이 기술은 카메라의 메인 렌즈와 이미지 센서 사이에 배치된 마이크로 렌즈 어레이(MLA)에 기반합니다. 각각의 미세 렌즈는 마치 작은 카메라처럼 작동하여 동일한 장면을 약간씩 다른 각도에서 촬영합니다. 이 모든 렌즈에서 얻은 정보를 결합하면, 시스템은 입사광의 강도, 위치 및 방향을 나타내는 광장을 재구성할 수 있습니다.

입자 검출의 경우, 섬광 검출기 내부의 빛이 매우 미약할 수 있기 때문에 이러한 능력이 특히 유용합니다.

플레놉틱 카메라를 단일 광자 애벌랜치 다이오드(SPAD) 어레이 센서와 결합하면, 매우 적은 양의 빛만 존재하더라도 개별 광자를 감지하고 입자의 궤적을 재구성할 수 있는 잠재력을 갖게 됩니다. 이러한 가능성에도 불구하고, 라이트 필드 카메라를 이용한 입자 추적 연구는 지금까지 이루어지지 않았습니다.

PLATON 프로토타입 내부

이 새로운 시스템은 스위스 국립과학재단의 지원을 받는 PLATON 프로젝트를 통해 개발되었습니다.

ETHZ-EPFL 연구팀은 마이크로렌즈 어레이와 SPAD 이미징 센서를 결합한 개념 증명용 검출기를 제작했습니다. SwissSPAD2로 알려진 이 센서는 EPFL 연구팀이 개발했습니다. Raytrix GmbH는 마이크로렌즈 어레이(MLA)를 설계하고 이를 센서에 직접 장착하여 완전한 플레놉틱 이미징 시스템을 구축했습니다.

SwissSPAD2는 게이트형 광자 검출 기능도 제공합니다. 즉, 센서는 정의된 시간 범위 내의 광자만 기록합니다.

이러한 시간 제어는 연구자들이 무작위 배경 신호 및 기타 허위 계수를 걸러내면서 실제 섬광광이 존재할 가능성이 가장 높은 기간에 집중할 수 있도록 도와줍니다.

단 몇 개의 광자로 검출기 테스트하기

연구진은 실험실에서 수백 개의 검출 광자부터 단 5개에 이르는 다양한 광량 수준을 사용하여 PLATON의 공간 해상도를 테스트했습니다.

또한 연구팀은 시제품이 플라스틱 섬광체 블록 내부에서 전자를 감지하고 그 위치를 재구성할 수 있는지 여부를 평가했습니다. 전자는 스트론튬-90 소스를 사용하여 생성되었습니다.

다양한 테스트 조건에서 시뮬레이션 결과가 실험실 측정값과 매우 유사하게 나타나 연구진은 자신들의 모델이 검출기의 성능을 정확하게 설명한다는 확신을 갖게 되었습니다.

첫 번째 시연 장치의 결과는 이미 PLATON의 차기 버전에 대한 팀의 계획을 구체화하는 데 도움이 되었습니다.

더 빠른 타이밍과 더 높은 감도

연구진은 광자 검출 효율을 향상시키고 개별 광자에 대해 나노초 미만의 시간 정밀도를 제공하도록 설계된 새로운 SPAD 어레이 센서를 개발하고 있습니다.

현재 시스템에서는 광자가 고정된 시간 범위에 할당됩니다. 업그레이드된 버전에서는 감지된 각 광자에 고유한 정확한 타임스탬프가 부여됩니다.

이러한 추가적인 시간 정보는 시스템이 각 광자가 어디에서 왔는지 더 정확하게 판단하고 입자 궤적 재구성을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.

연구진은 또한 시야각을 넓히고 더 많은 빛을 모으도록 플레놉틱 카메라를 최적화했습니다. 논문에 제시된 시뮬레이션 결과는 이러한 변경 사항들이 PLATON의 공간 해상도를 더욱 향상시킬 것으로 예상됩니다.

AI가 숨겨진 입자 상호작용을 재구성합니다

연구팀은 또한 시뮬레이션을 사용하여 업그레이드된 PLATON 시스템이 중성미자를 탐지할 때 어떤 성능을 보일지 추정했습니다.

시뮬레이션에는 신경망(NN) 기반의 새로운 이미지 처리 방법이 적용되었습니다. 이 시스템은 대규모 언어 모델에서 흔히 사용되는 유형을 변형한 트랜스포머 아키텍처를 사용합니다.

하지만 이 변환기는 단어를 분석하는 대신 검출기에 기록된 섬광 광자들 사이의 패턴을 분석합니다. 광자가 나타나는 위치와 시점 사이의 상관관계를 파악하여 원래의 입자 상호작용을 재구성하도록 설계되었습니다.

시뮬레이션 결과에 따르면 부피가 (10x10x10)cm³인 분할되지 않은 PLATON 검출기는 1mm 미만의 공간 해상도를 현실적으로 달성할 수 있는 것으로 나타났습니다.

또한, 이 시스템은 최종 상태에서 낮은 운동량을 가진 양성자를 생성하는 중성미자 상호작용을 높은 순도와 효율성으로 식별할 수 있다고 합니다. 다시 말해, 이 검출기는 관련 없는 많은 신호를 걸러내면서 원하는 사건만 선택적으로 검출할 수 있을 것으로 예상됩니다.

1세제곱미터로 확장하기

연구진은 또한 이 기술이 훨씬 더 큰 검출기에서 어떻게 작동할지 고려했습니다.

제한된 컴퓨팅 자원 때문에 연구팀은 분할되지 않은 1세제곱미터 크기의 섬광 검출기 블록에 대한 완전한 중성미자 시뮬레이션을 수행하지 못했습니다. 대신, 광자를 점 형태로 단순화하여 모델링했습니다.

시뮬레이션 결과에 따르면 이 크기의 검출기는 수 밀리미터 수준의 공간 해상도를 달성할 수 있으며, 이는 최첨단 플라스틱 섬광 검출기와 동등한 수준입니다.

특히 주목할 만한 점은 PLATON이 섬광체를 수백만 개의 개별 조각으로 나누지 않고도 이러한 성능을 달성했다는 것입니다.

저자들은 광학 설계 및 시스템의 다른 부분에 대한 추가적인 개선을 통해 궁극적으로 1m³보다 큰 부피를 가진 PLATON 유형 검출기에서 1mm 미만의 해상도를 구현할 수 있을 것이라고 믿습니다 .

입자 물리학을 넘어선 잠재적 활용 분야

취리히 연방 공과대학(ETH Zurich) 연구진은 이 기술이 궁극적으로 중성미자 실험이나 입자 가속기 실험을 훨씬 뛰어넘는 분야에서 유용하게 쓰일 수 있을 것이라고 믿습니다.

PLATON은 미약한 빛 신호의 위치를 ​​3차원으로 재구성하도록 설계되었기 때문에 다양한 영상 시스템의 성능을 향상시킬 수 있습니다.

디밍거, 알론소-몬살베, 스갈라베르나는 이미 PLATON 기술을 양전자 방출 단층촬영(PET)에 활용하는 것과 관련된 세 건의 특허를 출원했습니다. PET는 인체 내 방사성 추적자를 추적하여 장기와 조직의 방사능 활동을 나타내는 의료 영상 기법입니다.

해당 특허는 스캐너 설계와 이미지 처리 기술 모두를 포함하며, 여기에는 알론소-몬살베가 개발한 신경망(NN)도 포함됩니다.

입자 물리학은 오랜 역사 동안 이후에 더 광범위하게 활용되는 기술을 만들어왔습니다. 월드 와이드 웹은 CERN에서 탄생했고, 양성자 치료법은 입자 가속기와 방사선 물리학의 발전에서 비롯되었습니다.

PLATON은 물리학 실험이 주요 과학 및 의학 분야에 응용될 수 있는 기술로 이어지는 또 다른 사례가 될 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/07/260716023610.htm