TUM-Team ermöglicht Messungen mit bislang unerreichter Auflösung in Echtzeit
Fotosensor aus Smartphones hilft bei Antimaterieforschung am CERN
Die AEgIS-Kooperation (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) am CERN 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. 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. „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“, erläutert Guatieri. 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 daran beteiligt waren die Master-Studenten Michael Berghold und Markus Münster an der TUM School of Engineering and Design.
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.“
M. Berghold et al.: Real-time antiproton annihilation vertexing with sub-micron resolution, erschienen in: Science Advances, 2. April 2025, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads1176
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