كاميرا «بلاتون» الثورية ترصد الجسيمات غير المرئية في الفراغ ثلاثي الأبعاد

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.