First demonstration of $50\,\mathrm{ps}$ four-dimensional vertex reconstruction with the Timepix4 beam telescope

In de wereld van de hogereeltfysica laten wetenschappers deeltjes met ongelooflijke snelheden op elkaar botsen om de fundamentele bouwstenen van het universum te bestuderen. Deze botsingen vinden zo frequent plaats dat er binnen een enkel ogenblik tientallen afzonderlijke gebeurtenissen kunnen plaatsvinden op exact dezelfde locatie. Stel je voor dat je probeert een stapel brieven te sorteren die allemaal tegelijkertijd op de grond zijn gevallen; als je alleen kijkt naar waar ze terecht zijn gekomen, kun je niet zien welke brief bij welke envelop hoort. Decennialang hebben onderzoekers vertrouwd op de positie van deze deeltjes om ze uit elkaar te houden. Echter, naarmate machines krachtiger worden, vinden de botsingen zo dicht bij elkaar plaats in de ruimte dat positie alleen niet langer voldoende is. Om dit op te lossen, wenden wetenschappers zich tot de tijd. Als zij exact kunnen meten wanneer een deeltje arriveert met extreme precisie, kunnen zij gebeurtenissen scheiden die op dezelfde plek plaatsvinden maar op iets verschillende momenten. Het doel is om een niveau van tijdsmeting te bereiken dat zo scherp is dat het botsingen kan onderscheiden die gescheiden zijn door slechts enkele tientallen picoseconden, een tijdschaal die zo kort is dat het licht in die duur slechts enkele millimeters aflegt.

Een team van onderzoekers heeft nu een belangrijke stap gezet richting dit doel door een nieuwe manier te demonstreren om de oorsprong van deeltjesbotsingen te reconstrueren met zowel ruimte als tijd. Tijdens het werken met een gespecialiseerde telescoop gemaakt van siliciumsensoren bij het Europees Instituut voor Kernonderzoek, slaagden zij erin de deeltjes te volgen die werden geproduceerd door een hogesnelheidsstraal die een vast doel raakte. Door metingen van meerdere lagen detectoren te combineren, waren zij in staat om niet alleen te bepalen waar een botsing plaatsvond, maar ook exact wanneer deze plaatsvond, waarbij een tijdsresolutie van 54 picoseconden werd bereikt. Dit is de eerste keer dat een dergelijk systeem effectief is gebleken voor het reconstrueren van de volledige vierdimensionale geschiedenis van een botsingspunt, wat bewijst dat tijd gebruikt kan worden als een krachtig instrument om drukke deeltjesgebeurtenissen te ontwarren.

Het experiment vond plaats in een faciliteit in Zwitserland waar een straal van gemengde hadronen, een type subatomair deeltje, op een stationair doel werd afgevuurd. Terwijl de straal het doel raakte, creëerde het een wolk van nieuwe deeltjes die naar buiten vlogen. Om deze deeltjes op te vangen, gebruikte het team een apparaat genaamd een beam telescope, dat bestaat uit acht platte lagen siliciumsensoren gerangschikt in twee armen. Elke laag is bedekt met minuscule pixels die fungeren als digitale ogen, die niet alleen registreren waar een deeltje doorheen ging, maar ook het exacte moment waarop het arriveerde. De onderzoekers richtten de straal op een doel gemaakt van wolfraam en messing, waardoor een gecontroleerde omgeving werd gecreëerd waarin zij konden bestudelen hoe goed hun systeem de startpunt van de deeltjeswolken kon bepalen. Zij verzamelden gegevens gedurende meerdere maanden en legden miljoenen van deze interacties vast om een gedetielde afbeelding op te bouwen van hoe de deeltjes bewogen en wanneer zij arriveerden.

Om de gegevens te begrijpen, ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe analysemethode die tijd behandelt als een fundamenteel onderdeel van het reconstructieproces, in plaats van slechts een bijzaak. In eerdere benaderingen bepaalden wetenschappers eerst het pad dat een deeltje door de ruimte aflegde en probeerden zij later de tijdinformatie toe te voegen. In dit onderzoek pasten het team het pad en de aankomsttijd simultaan aan, waardoor de tijdmetingen hielpen bij het definiëren van het pad, net zoals de ruimtelijke metingen hielpen bij het definiëren van de tijd. Deze benadering vereiste geavanceerde software om de complexe wiskunde te verwerken van het combineren van gegevens uit verschillende lagen, vooral omdat de deeltjes onder wijde hoeken vlogen en de sensoren op onvoorspelbare manieren raakten. Het systeem vertrouwde ook op een aparte tijdsreferentie, waarbij twee gespecialiseerde detectoren werden gebruikt om een masterklok voor elke gebeurtenis te bieden, wat ervoor zorgde dat de metingen van de telescoop met extreme nauwkeurigheid gesynchroniseerd waren.

De resultaten toonden aan dat het systeem de locatie van een botsing met indrukwekkende precisie kon bepalen. Voor de positie langs de richting van de straal verbeterde de resolutie naarmate er meer deeltjestrajecten in de berekening werden opgenomen, waarbij een precisie van ongeveer 0,66 millimeter werd bereikt wanneer zes trajecten werden gebruikt. Voor de positie dwars op de straal bereikte het systeem een resolutie van ongeveer 20 micrometer met vijf trajecten. Deze ruimtelijke metingen bevestigden dat de telescoop de geometrie van de botsing accuraat kon in kaart brengen. Nog belangrijker was dat het team de tijdsresolutie van het gereconstrueerde botsingspunt mat. Naarmate zij meer tijdsmetingen van de sensorlagen combineerden, verbeterde de precisie van de tijdmeting, waarbij het de verwachte statistische patronen volgde. Wanneer zij gegevens van 16 timingclusters gebruikten, bereikte het systeem een tijdsresolutie van 54 picoseconden.

Deze prestatie is significant omdat het bewijst dat er geen verborgen barrière is die het systeem ervan weerhoudt om nog beter te worden. De onderzoekers stelden vast dat de verbetering van de tijdsresolutie de verwachte trend volgde, wat betekent dat het toevoegen van meer metingen de afbeelding bleef verscherpen zonder tegen een plotselinge muur van onnauwkeurigheid aan te lopen. Zij identificeerden echter ook een kleine, onveranderlijke limiet in hun systeem. Zelfs met perfecte metingen bleef er een residuele onzekerheid van ongeveer 29 picoseconden bestaan. Deze limiet werd niet veroorzaakt door de sensoren zelf of door de manier waarop de deeltjes werden gemeten, maar door het kloksysteem dat werd gebruikt om de gegevens te synchroniseren en de fysieke lay-out van de timing-referentiedetectoren. De onderzoekers stelden vast dat de tijd die het licht nodig had om door de referentiedetectoren te reizen, licht varieerde afhankelijk van waar de deeltjes insloegen, wat een kleine hoeveelheid onzekerheid introduceerde die niet geëlimineerd kon worden door simpelweg meer sensoren toe te voegen.

Ondanks deze kleine beperking markeert het experiment een duidelijke mijlpaal. Het demonstreert dat silicium pixeldetectoren, die breed worden gebruikt in de deeltjesfysica, gecombineerd kunnen worden om vierdimensionale reconstructie te bereiken op de 50-picoseconde schaal. Deze capaciteit is essentieel voor de toekomst van de hogereeltfysica, waar machines botsingen zullen produceren die zo dicht opeengepakt zijn dat ruimtelijke informatie alleen niet langer zal volstaan om ze te scheiden. Door aan te tonen dat tijd gebruikt kan worden om deze gebeurtenissen met hoge precisie te sorteren, biedt de studie een routekaart voor de volgende generatie detectoren. De onderzoekers concludeerden dat hoewel hun huidige systeem nog niet de uiteindelijke doelstelling van 20 picoseconden heeft bereikt die vereist is voor toekomstige upgrades, zij hebben bewezen dat de weg vooruit duidelijk is en dat de technologie klaar is om verfijnd te worden voor nog grotere precisie.