Smartphone-Fotosensor hilft bei Antimaterieforschung am CERN

Mit Hilfe von Smartphone-Fotosensoren untersuchen Forschende am Teilchenbeschleuniger CERN die Zerstrahlung von Antimaterie in Echtzeit und mit bisher unerreichter Ortsauflösung. Entwickelt wurde das Gerät für die internationale AEgIS-Kooperation von Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM) an der Forschungs-Neutronenquelle FRM II in Garching. Der Detektor kann Antiprotonen-Annihilationen mit einer Genauigkeit von nahezu 0,6 Mikrometern erfassen, was eine 35-fache Verbesserung gegenüber früheren Verfahren darstellt.

20250328 frm2 cern ah 893993 bild1 Dr. Francesco Guatieri, Michael Berghold und Markus Münster (v.l.) legen letzte Hand an den Detektor, bevor er zu weiteren Messungen ans CERN transportiert wird. © Andreas Heddergott / TUM

Dr. Francesco Guatieri, Michael Berghold und Markus Münster (v.l.) legen letzte Hand an den Detektor, bevor er zu weiteren Messungen ans CERN transportiert wird. © Andreas Heddergott / TUM

Die AEgIS-Kooperation (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) hat das primäre Ziel , den freien Fall von Antiwasserstoff im Schwerefeld der Erde mit hoher Präzision zu messen. Dafür wird ein horizontaler Antiwasserstoffstrahl erzeugt und seine vertikale Fallstrecke mit einem Moiré-Deflektometer gemessen – ein Gerät das winzigste Positionsverschiebungen der Antiwasserstoff-Annihilationspunkte detektiert.

„Damit AEgIS funktioniert, brauchen wir einen Detektor mit einer unglaublich hohen räumlichen Auflösung, und die Sensoren mobiler Kameras haben Pixel, die kleiner als ein Mikrometer sind“, sagt der Leiter der Studie, Dr. Francesco Guatieri, aus der Gruppe von Prof. Dr. Christoph Hugenschmidt am FRM II. „Wir haben 60 Smartphone-Chips in einen einzigen fotografischen Detektor, den Optical Photon and Antimatter Imager (OPHANIM), integriert. Dieser hat damit weltweit die höchste Anzahl von Pixeln, die in einem technischen Gerät verwendet wird: 3840 Megapixel. Zuvor waren fotografische Platten die einzige Option, um die gewünschte Präzision zu erreichen. Diese ließen jedoch keine Echtzeitmessungen zu.

20250328 frm2 cern ah 893952 bild-2 Den optischen Photonen- und Antimaterie-Imager (OPHANIM) hat das TUM-Team aus 60 Smartphone-Chips gebaut. © Andreas Heddergott / TUM

Den optischen Photonen- und Antimaterie-Imager (OPHANIM) hat das TUM-Team aus 60 Smartphone-Chips gebaut. © Andreas Heddergott / TUM

Unsere Lösung wurde bereits an Antiprotonen erfolgreich getestet und wird nun direkt auf Antiwasserstoff angewendet: Wir kombinieren eine hohe Auflösung auf Fotoplattenniveau, Echtzeitdiagnose, Selbstkalibrierung und ein guter Raumwinkel für die Teilchenerfassung in einem Gerät.“ Das Paper dazu wurde soeben in Science Advances veröffentlicht.

Bildsensoren umgebaut
Konkret verwendeten die Forscher optische Bildsensoren aus handelsüblichen Mobiltelefonen. „Wir mussten die ersten Schichten der Sensoren entfernen, die für die hochentwickelte integrierte Elektronik von Mobiltelefonen ausgelegt sind“, sagt Guatieri. „Dies erforderte ein hochentwickeltes elektronisches Design und Mikrotechnik.“ Maßgeblich beteiligt daran waren die die beiden Masterstudenten Michael Berghold und Markus Münster von der TUM School of Engineering and Design.

Bild3 2 Der optische Photonen- und Antimaterie-Imager, der 60 Sensoren kombiniert, und einige Beispiele (unten r.) von Antiprotonen-Annihilationen, welche die Forscherinnen und Forscher mit diesem Gerät erzielt haben. Wie in der Abbildung zu sehen ist, erscheinen die Annihilationen tatsächlich als sternförmige Ereignisse mit mehreren Spuren, die von einem Scheitelpunkt ausgehen. Grüne, cyanfarbene und orangefarbene Pfeile zeigen Beispiele für Kernfragmente, Protonen und Pionen. © Ruggero Caravita

Der optische Photonen- und Antimaterie-Imager, der 60 Sensoren kombiniert, und einige Beispiele (unten r.) von Antiprotonen-Annihilationen, welche die Forscherinnen und Forscher mit diesem Gerät erzielt haben. Wie in der Abbildung zu sehen ist, erscheinen die Annihilationen tatsächlich als sternförmige Ereignisse mit mehreren Spuren, die von einem Scheitelpunkt ausgehen. Grüne, cyanfarbene und orangefarbene Pfeile zeigen Beispiele für Kernfragmente, Protonen und Pionen. © Ruggero Caravita

„Außergewöhnliche Auflösung“
AEgIS-Sprecher Dr. Ruggero Caravita betont: „Dies ist eine bahnbrechende Technologie für die Beobachtung der winzigen, durch die Schwerkraft bedingten Verschiebungen in einem sich horizontal bewegenden Anti-Wasserstoff-Strahl. Sie kann aber auch breitere Anwendung in Experimenten finden, bei denen eine hohe Positionsauflösung von entscheidender Bedeutung ist, oder zum Beispiel um hochauflösende Tracker zu entwickeln. Diese außergewöhnliche Auflösung ermöglicht es uns zudem, verschiedene Annihilationsfragmente zu unterscheiden. Damit eröffnet sie neue Forschungswege zur Annihilation von niederenergetischen Antiteilchen in Materialien. “

Originaltext: AEgIS/CERN