Antimaterieforschung am CERN CMOS-Sensoren aus dem Smartphone für die Hochenergiephysik

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Ein Team der TU München hat aus handelsüblichen Smartphone-Fotosensoren einen Hochpräzisionsdetektor für das CERN entwickelt. Damit gelingt es erstmals, die Annihilation von Antiprotonen mit Submikrometer-Auflösung in Echtzeit zu vermessen.

Mit einem eigens entwickelten Megapixel-Array auf Basis modifizierter CMOS-Kamerasensoren aus Smartphones liefert ein Team der Technischen Universität München (TUM) neue Präzision für das Antimaterie-Experiment AEgIS am CERN. Die Technologie erlaubt es, Annihilationsereignisse von Antiprotonen mikrometergenau zu orten – ein entscheidender Schritt zur Messung der Gravitation von Antimaterie.

Wenn Antimaterie auf Materie trifft, kommt es zur Annihilation – einer vollständigen Umwandlung von Masse in Energie, begleitet von charakteristischen Teilchenspuren. Im AEgIS-Experiment (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) am CERN wird gezielt untersucht, wie sich Antiwasserstoff im Schwerefeld der Erde verhält. Die zentrale Fragestellung: Fällt Antimaterie unter Gravitation genauso wie normale Materie – oder gibt es Unterschiede?

Um diese Effekte nachzuweisen, erzeugt das AEgIS-Team einen horizontalen Strahl aus Antiwasserstoff-Atomen. Diese passieren ein sogenanntes Moiré-Interferometer – ein Detektoraufbau aus mehreren hintereinander angeordneten Gitterstrukturen. Wenn sich Antiwasserstoff unter dem Einfluss der Erdanziehung leicht nach unten ablenkt, verändern sich die Interferenzmuster. Der Ort der darauffolgenden Annihilation – also der Punkt, an dem das Antiatom mit Materie in Wechselwirkung tritt – ist die Schlüsselgröße für die Gravitationsexperimente.

60 modifizierte CMOS-Sensoren

Hier kommt der neue Detektor OPHANIM (Optical Photon and Antimatter Imager) ins Spiel: ein großflächiges Array aus 60 Smartphone-Kamerasensoren, zusammen 3.840 Megapixel stark. Entwickelt und optimiert am Forschungsreaktor FRM II der TUM, detektiert das System die beim Zerfall entstehenden geladenen Pionen in bislang unerreichter lateraler Auflösung von 0,6 µm. Zum Vergleich: Bisher eingesetzte Emulsionsdetektoren erreichten maximal etwa 20 µm – allerdings nur offline und mit erheblichem Analyseaufwand. OPHANIM liefert hingegen Echtzeitdaten in hoher Auflösung.

Die CMOS-Bildsensoren, ursprünglich für mobile Endgeräte konzipiert, wurden gezielt modifiziert: Farbschichten und Mikrolinsen, die in Smartphones zur Bildoptimierung dienen, wurden entfernt, um die Sensorsubstrate direkt für die Detektion geladener Teilchenspuren zu nutzen. Dank der Submikrometer-Pixeldichte sind diese Sensoren besonders geeignet für die Spurverfolgung (Tracking) von Zerfallsprodukten mit extrem geringer Reichweite.

Sensoren aus einem Smartphone

„Für AEgIS benötigen wir eine Detektion mit höchster räumlicher Präzision – CMOS-Sensoren aus Smartphones liefern das technisch und ökonomisch sinnvoller als viele spezialisierte Detektortypen“, erklärt Projektleiter Dr. Francesco Guatieri von der TUM. „Die Herausforderung lag in der Anpassung der Sensoren an die speziellen Anforderungen der Hochenergiephysik.“

Dass dieser Technologietransfer gelingt, verdankt sich auch der interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Teilchenphysik, Mikroelektronik und angewandter Sensortechnik. Masterstudierende der TUM School of Engineering and Design waren direkt an der Entwicklung und Charakterisierung der Sensorarrays beteiligt. Das Ergebnis ist ein modular aufgebauter Detektor, der nicht nur AEgIS unterstützt, sondern auch für andere Anwendungen in der Präzisionsmesstechnik und in bildgebenden Verfahren infrage kommt.

Wissenschaftliche Bedeutung von AEgIS

Die Gravitation ist bislang die einzige fundamentale Wechselwirkung, deren Wirkung auf Antimaterie nicht experimentell bestätigt ist. Ein messbarer Unterschied im freien Fall von Antiwasserstoff – selbst im Bereich weniger Mikrometer – würde fundamentale Fragen zur Symmetrie von Naturgesetzen und zur Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie aufwerfen. Das AEgIS-Experiment gehört zu den wenigen Versuchen weltweit, diese Frage experimentell anzugehen.

Mit OPHANIM steht der Kollaboration nun ein Präzisionsinstrument zur Verfügung, das Echtzeit-Tracking auf Mikrometerbasis erlaubt – mit Bauteilen, die ursprünglich für mobile Kamerasysteme gedacht waren. Ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie Consumer-Elektronik die Grundlagenforschung beflügelt. (heh)

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