كاميرا «بلاتون» الثورية ترصد الجسيمات غير المرئية في الفراغ ثلاثي الأبعاد
باحثون سويسريون يُطوّرون كاشف جسيمات مبتكراً يدمج كاميرا المجال الضوئي والذكاء الاصطناعي لتتبع مسارات النيوترينوات والمادة المظلمة بدقة دون الملليمتر، مع تطبيقات واعدة في التصوير الطبي.
لرصد جسيمات مثل النيوترينو والمادة المظلمة، اضطر الفيزيائيون تقليدياً إلى بناء منشآت ضخمة تحتوي على ملايين المكونات الكاشفة مرتبة بدقة في مصفوفات ثلاثية الأبعاد، والتي تستهلك موارد هائلة في التصنيع والتشغيل والمعايرة. يطرح باحثو المعهد التقني الفيدرالي السويسري ETH زيورخ ومعهد EPFL بديلاً جذرياً: كاشف اسمه PLATON يُحل محل تلك المصفوفات المعقدة بكتلة واحدة من مادة الوميض الضوئي يُوضع خلفها نظام تصوير ذكي.
قلب هذا الابتكار هو كاميرا المجال الضوئي، التكنولوجيا التي تلتقط في اللحظة ذاتها اتجاه الضوء وشدته معاً، باستخدام صفيف من العدسات الدقيقة يجلس بين العدسة الرئيسية وحساسة التصوير. هذا الثراء المعلوماتي الفائق يجعل تتبع الجسيم في الفضاء ثلاثي الأبعاد ممكناً من موضع كاميرا واحدة بدلاً من آلاف المستشعرات.
المعضلة التاريخية كانت حساسية الكشف: جسيمات مثل النيوترينو تتفاعل مع المادة نادراً جداً، فينتج تفاعلها في مادة الوميض ومضات بالغة الضعف قد لا تشمل سوى خمسة فوتونات. للتعامل مع هذا الضعف الشديد، استعان الفريق بمستشعرات ثنائي انهيار الفوتون المفرد، وهي عناصر إلكترونية قادرة على رصد فوتون واحد وتحوّل الانهيار الكهربائي اللحظي الناتج إلى إشارة كهربائية قابلة للقياس.
تحوّل ومضات الضوء الخمس هذه إلى مسار جسيم ثلاثي الأبعاد دقيق هو مهمة الذكاء الاصطناعي: شبكة عصبية بُنيت على بنية المحوّل، تعلّمت من محاكاة حاسوبية آلاف السيناريوهات، ثم أُختبرت على جسيمات بيتا من مصدر ستورنيوم-90 حقيقي في كتل بلاستيكية وميضية. النتائج الأولية أثبتت قدرة النظام على تتبع المسارات في المادة غير المجزأة.
تُشير المحاكاة إلى أن نسخة مُحسَّنة من PLATON يمكنها تحقيق دقة مكانية تحت الملليمتر في أحجام تصل إلى متر مكعب، مضاهيةً أداء كواشف الجيل الأحدث القائمة على مصفوفات المستشعرات، مع مرونة أعلى في التوسع والتصغير وتكاليف تشغيل أقل بكثير.
اكتشف الفريق أن هذا المبدأ ينطبق أيضاً على التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني في الطب. في هذا الإجراء التشخيصي، تتحرك مواد مُشعة في الجسم وتُصدر جسيمات يمكن كاميرا المجال الضوئي تتبعها لإعادة بناء توزيعها ثلاثي الأبعاد بصورة أوضح مما تتيحه التقنيات الحالية. قدّم الفريق ثلاثة طلبات براءات اختراع في هذا الاتجاه الطبي.
يستدعي هذا الابتكار اهتمام المنطقة العربية من بوابتين: الأولى علمية، إذ تضم دول كالإمارات ومصر والمملكة العربية السعودية مراكز بحثية ناشئة في فيزياء الجسيمات والطاقة النووية، كمركز الشيخ خليفة للأبحاث التقنية في جامعة خليفة وبرامج جامعة الملك عبدالعزيز؛ والثانية طبية، إذ يُعدّ التصوير بالإصدار البوزيتروني PET ركيزةً تشخيصية أساسية في مراكز الأورام الكبرى كمستشفى الملك حسين للسرطان في الأردن ومستشفى شيفا بالسعودية، وأي تحسين في دقة هذه التقنية يُترجَم مباشرةً إلى تشخيص أدق وعلاج أفضل لمرضى المنطقة.
يضع PLATON بذرة نهج جديد في فيزياء الجسيمات: بدلاً من بناء منشآت ضخمة متشعبة، قد يكفي مستقبلاً كاشف بمكوّن مادي واحد وعين كاميرية واحدة ودماغ عصبي واحد لاستيعاب الجسيمات الأكثر غموضاً في الكون.
المزيد من علوم
مسابقة جديدة تتحدى 500 مشارك لعكس أعمارهم البيولوجية خلال ستة أشهر
أطلقت طبيبة أعصاب أمريكية مسابقة تمتد ستة أشهر يحاول فيها نحو 500 مشارك تقليص الفارق بين عمرهم الزمني وعمرهم البيولوجي، باستخدام فحوصات جينية ودماغية وجسدية متعددة، ولوحة صدارة علنية.
دراسة ميدانية تكشف كيف تسمع أسماك القرش وتحدد مصدر الصوت من 74 متراً
أجرى باحثون أمريكيون أول دراسة ميدانية كمّية لسمع أسماك القرش الحرة في المحيط، وتبيّن أن أسماك القرش السوداء الزعنفة تكشف الأصوات منخفضة التردد من مسافة تصل إلى 74 متراً وتحدد اتجاهها بدقة.
فيزيائيون في كالتك يرصدون سلّماً طاقياً كمومياً تنبأت به نظرية قبل 40 عاماً
تمكّن فيزيائيون في معهد كالتك من قياس أنماط طاقة كمومية تنبأت بها نظرية الحقل المطابق منذ أربعة عقود، باستخدام ذرات سترونشيوم محصورة بملاقط ضوئية، في تأكيد تجريبي دقيق لنظرية رياضية طويلة الأمد.
دراسة ضخمة: واحد من كل 13 شاباً يحمل تصلب شرايين صامتاً دون أن يعلم
كشفت دراسة REACT التي شملت أكثر من 16800 شخص سليم ظاهرياً أن تصلب الشرايين يبدأ في سن مبكرة أكثر من المتوقع، حيث يحمله واحد من كل 13 شاباً بين 18 و29 عاماً دون أي أعراض.
رصد وميض سيني قياسي قد يكشف لحظة ولادة نجم مغناطيسي جديد
فريق بحثي دولي يرصد أطول وميض أشعة سينية مسجّل بعد اندماج نجمين نيوترونيين، في حدث يستمر نحو 10 دقائق ويقدّم دليلاً جديداً على كيفية ولادة النجوم المغناطيسية فائقة القوة.
بِت كمي من الهليوم فائق السيولة قد يقلل أخطاء الحوسبة الكمومية 100 مرة
باحثون بريطانيون وأمريكيون يصممون بتاً كمياً جديداً يعتمد على الهليوم فائق السيولة بدلاً من الدوائر فائقة التوصيل، بهدف تقليص معدلات الخطأ الناتجة عن التشويش الكهرومغناطيسي في الحواسيب الكمومية.