Ещё

Ученые приблизили «новый век» сверхбыстрой микроскопии 

Фото: CC0 / kkolosov / Микроскоп
Метод эмульсионных трековых детекторов (ЭТД) уже более 60 лет активно используется в экспериментальной физике и до сих пор не превзойден по точности измерения траекторий элементарных частиц. Совершенно новые перспективы его применения открывает работа международных коллабораций с участием российских ученых, в том числе, сотрудников Национального исследовательского технологического университета "МИСиС" (НИТУ "МИСиС").

Принцип работы и история

Способ действия метода ЭТД можно описать так: заряженная частица, пролетая сквозь толщу эмульсии, "активирует" вдоль своего пути кристаллы бромистого серебра, которые в процессе проявки превращаются в наночастицы ("зерна") металлического серебра.
Впервые этот метод применил в ядерной физике Антуан Беккерель, который в 1896 году обнаружил радиоактивность солей урана по вызываемому ими почернению фотопластинки.
Всеобщее признание метод ЭТД получил после открытия π-мезона в 1947 году. Он помог сделать важнейшие открытия в физике элементарных частиц: обнаружение ядерных взаимодействий π⁻— и К⁻-мезонов, оценку времени жизни π⁰-мезона (10⁻¹⁶ с), обнаружение распада К-мезона на три пиона, первое наблюдение "очарованных" частиц и распадов "прелестных" частиц в "очарованные", первое наблюдение рождения "очарованных" частиц в нейтринных взаимодействиях.
Существенная проблема метода ЭТД — трудоемкость измерения при помощи оптических микроскопов координат наночастиц, образующих трек частицы. Десятки лет эти изменения проводились вручную. Автоматизация процесса с помощью роботизированных микроскопов позволилa исключить тяжелый человеческий труд и сделала возможными прорывные применения метода ЭТД в экспериментах DONUT и OPERA.
DONUT был экспериментом Fermilab по поиску тау-нейтринных взаимодействий. Детектор работал в течение лета 1997 года и успешно обнаружил тау-нейтрино — до того единственную (за исключением бозона Хиггса) частицу Стандартной модели, которая не была доступна для непосредственного наблюдения.
Основной задачей эксперимента OPERA была регистрация тау-нейтрино, рожденных из мюонных нейтрино в результате нейтринных осцилляций. Пучок мюонных нейтрино производился в ЦЕРНе (Швейцария) и направлялся к лабораториям Гран Сассо (Италия). Пролетев под землей 732 км, пучок достигал места расположения OPERA, где регистрировался его эмульсионным детектором.
В 2010 году были получены первые прямые доказательства того, что мюонные нейтрино могут превращаться в тау-нейтрино — это подтвердило гипотезу нейтринных осцилляций.

Современные роботы-микроскопы

В многотонных трековых детекторах сегодня используются миллионы эмульсионных пленок, а для их оптического сканирования применяется автоматизированная микроскопия (АМ).
Поскольку скорость работы таких "робо-микроскопов" ограничивает применимость эмульсионных детекторов, ученые активно ищут способ сделать их быстрее и создать роботы следующего поколения.
АМ нового поколения — роботы, оснащенные высокоточной механикой, высококачественной оптикой и высокоскоростной видеокамерой. АМ действует в миллионы раз быстрее микроскописта-человека, при этом может работать, не уставая, 24 часа в сутки.
Сотрудники НИТУ "МИСиС" и Национального института ядерной физики (INFN, Неаполь, Италия) сообщили в "Scientific Reports" о том, что разработали простую и экономически выгодную технологию, позволяющую повысить скорость работы АМ в 100 раз.