Ecco come una fotocamera per smartphone può rivoluzionare le ricerche sull'antimateria

La ricerca sull'antimateria sta progredendo grazie a una soluzione tanto ingegnosa quanto inattesa: l'utilizzo di sensori comuni per le fotocamere dei nostri smartphone. Un gruppo di scienziati dell'esperimento AEḡIS (Antimatter Experiment: Gravity Interferometry and Spectroscopy) al CERN ha modificato questi comuni componenti elettronici per creare un rilevatore capace di "fotografare" le annichilazioni di antiprotoni con una risoluzione mai raggiunta prima.

Il team, guidato dal professor Christoph Hugenschmidt della Technical University of Munich, ha sfruttato le caratteristiche dei sensori CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) presenti negli smartphone moderni. In particolare, nello studio vengono menzionati il Sony IMX219, un modulo utilizzato su smartphone economici come fotocamera frontale o su accessori esterni per sistemi come il Raspberry Pi, e anche il più avanzato Sony IMX686 da 64 MP, utilizzato ad esempio su ROG Phone 5 e su altri dispositivi non più troppo recenti.

Precisione submicrometrica negli studi del CERN grazie ai sensori degli smartphone

Questi dispositivi, originariamente progettati per catturare la luce visibile, sono stati adattati per rilevare le particelle subatomiche prodotte quando l'antimateria si annichila a contatto con la materia ordinaria. La chiave del successo risiede nelle dimensioni estremamente ridotte dei pixel dei sensori, inferiori a 1 micrometro, una caratteristica che ha permesso ai ricercatori di localizzare i punti di annichilazione degli antiprotoni con una precisione di circa 0,6 micrometri, superando di 35 volte i metodi precedenti.

"Un singolo sensore non è sufficiente per la maggior parte degli scopi, date le sue ridotte dimensioni", ha però indicato Francesco Guatieri della Research Neutron Source Frm II della Technical University di Monaco. E proprio per questo è stato realizzato l’Optical Photon and Antimatter Imager (OPHANIM), un dispositivo che ben 60 sensori in un unico rilevatore. Il risultato è un sistema con una risoluzione complessiva di 3840 MP, il più alto numero di pixel mai raggiunto in uno strumento di questo tipo.

L'obiettivo principale dell'esperimento AEḡIS è misurare con estrema precisione la caduta libera dell'anti-idrogeno nel campo gravitazionale terrestre, operazione che potrebbe confermare o smentire il principio di equivalenza debole di Einstein anche per l'antimateria, con implicazioni profonde per la nostra comprensione dell'universo. La modifica dei sensori ha richiesto un notevole lavoro di ingegneria, ad esempio con la rimozione dei primi strati de chip che sono progettati per l'integrazione sugli smartphone. Un lavoro che ha richiesto competenze in design elettronico di alto livello e micro-ingegneria.

Il team ha inoltre scoperto che, al momento, l'occhio umano supera gli algoritmi di machine learning nell'identificare con precisione i punti di annichilazione dell'antimateria. Per questo motivo, i ricercatori hanno coinvolto i loro colleghi in un processo di "crowdsourcing" scientifico, chiedendo loro di analizzare manualmente oltre 2500 immagini del rilevatore. Nonostante il processo richiedesse fino a 10 ore per ogni collaboratore, i risultati hanno superato di gran lunga quelli ottenuti con metodi automatizzati. La straordinaria risoluzione del nuovo rilevatore non solo permette di localizzare con precisione i punti di annichilazione, ma consente anche di distinguere tra i diversi frammenti prodotti durante il processo: misurando la larghezza delle tracce lasciate dai prodotti di annichilazione, i ricercatori possono determinare se sono state generate da protoni o pioni. Questo potrebbe aprire nuovi scenari interessanti nello possibilità di studio delle interazioni tra antimateria e materia.

La tecnologia sviluppata nello studio potrebbe trovare applicazioni in campi come l'imaging biomedico, la spettroscopia della luce visibile e ultravioletta estrema, e il tracciamento di particelle ad alta risoluzione in altri contesti scientifici e industriali. Con il progredire della ricerca, ci si aspetta che la precisione nella misurazione dell'accelerazione gravitazionale dell'anti-idrogeno possa raggiungere e superare l'obiettivo dell'1% di accuratezza. Questo livello di precisione potrebbe fornire nuove intuizioni sulla natura dell'antimateria e sul suo comportamento nell'universo, contribuendo a risolvere alcuni dei misteri più profondi della fisica moderna.