《SCIENCE ADVANCES》：Real-time antiproton annihilation vertexing with submicrometer resolution
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为精确测量反氢原子在地球引力场中的自由落体，研究人员开展基于改进型移动相机传感器的反质子湮灭顶点定位研究。结果显示，该传感器能将反质子湮灭位置测量精度提升至μm ，这对 AE?IS 实验及反物质研究意义重大。
在物理学的广袤领域中，引力始终是一个充满神秘色彩的研究对象。广义相对论作为当前理解引力的主流范式，其核心的弱等效原理（WEP）认为引力质量和惯性质量相等，进而推断自由落体具有普遍性。多年来，科学家们通过各种 E?tv?s 型实验，在不同材料上对 WEP 进行了高精度测试。然而，用反物质测试 WEP 却困难重重。一方面，生产大量低能反粒子极为不易；另一方面，反物质极易受到杂散电磁场的干扰。尽管从理论和间接实验证据来看，反物质似乎遵循 WEP，但一直缺乏直接的实验证实。
近年来，多个研究团队致力于测量反物质在地球引力场中的加速度，其中 ALPHA - g 合作团队取得了一定成果，测量出反氢原子（）的引力加速度为，但这一结果仍有待进一步精确化。为了更深入地探索反物质与引力的关系，对 WEP 进行更严格的检验，科学家们不断努力。
此次，来自国外的研究人员针对 AE?IS 实验展开研究。AE?IS 实验旨在精确测量反氢原子在地球引力场中的自由落体，其测量依赖于 moiré 偏转仪，反氢原子在湮灭前会穿过两个材料网格，最终撞击到位置敏感探测器上，探测器需具备微米级精度，以确定湮灭顶点相对于网格的垂直位置。此前的检测技术，如核照相乳剂和定制硅探测器，都存在一定的局限性，无法满足实验需求。
研究人员利用改进的索尼 IMX219 商业互补金属 - 氧化物半导体（CMOS）光学图像传感器开展研究。实验装置方面，将原本用于其他实验的装置进行改造，安装在 AE?IS 的注入线分支上，并做好真空和同步等相关处理。在检测过程中，低能反质子撞击物质后会迅速湮灭，释放能量并产生多种次级粒子，如 π 介子、质子等。研究人员通过多次暴露 CMOS 传感器于低强度反质子束，成功检测到反质子湮灭事件。
在研究结果方面：
- 检测：在 8 天内共收集了 1576 张图像，手动识别出 2601 个反质子湮灭事件。这些事件呈现出星状，有多个分支从一个顶点发出。经过处理的 CMOS 传感器在反质子 8keV 的注入能量下，大部分反质子在离表面 0.25μm 内湮灭，一半的次级粒子会穿过传感器敏感区域，产生类似可见光的信号被探测器捕捉。
- 分支识别和检测效率：对记录的分支进行分析，发现主要有直线形的轨迹和椭圆形分支。通过算法拟合和实验验证，将厚轨迹归因于质子，薄轨迹归因于带电 π 介子，椭圆形分支归因于 α 粒子或其他多核子碎片。利用 FLUKA 模拟并结合实验数据校正后，估计顶点重建效率约为 70%。
- 湮灭顶点重建：研究人员尝试用算法拟合湮灭事件，但发现人工标记的精度更高。8 名研究人员独立确定 2601 个事件的湮灭顶点位置，平均后的理论分辨率可达 0.36μm。
- 网格定位和顶点精度：通过类似光学传递函数测量的方法评估顶点精度。安装硅氮化网格并实时监测其位置，发现网格存在每天约 0.1μm 的线性漂移，通过线性回归模型进行校正。最终得到基于群体重建的顶点精度为μm 。
- 传感器弹性：实验中虽观察到死像素出现，但因其产生速率极低，对于 AE?IS 实验可忽略不计，该探测器适用于更大反质子 / 反氢原子通量的实验。
研究结论表明，利用该 CMOS 传感器结合众包顶点重建，可实现μm 的位置精度，相比之前的实时检测精度提高了 35 倍。该传感器对可见光敏感，能实现原位校准，有效减少系统误差。基于此，该传感器技术已被选定为 AE?IS 偏转仪定制探测器的研发基础，有望助力 AE?IS 实验实现 1% 精度测量反氢原子引力加速度的科学目标。此外，该传感器技术在生物医学成像、光谱分析和粒子跟踪等领域也展现出广阔的应用前景，为相关领域的研究提供了新的技术手段，推动了反物质研究及相关交叉学科的发展。
研究人员开展此项研究用到的主要关键技术方法包括：
- 硬件装置搭建：改造已有实验装置，安装在 AE?IS 实验的特定位置，做好真空处理和同步工作。
- 检测技术：利用改造后的 CMOS 传感器检测反质子湮灭事件。
- 算法分析：运用多种算法，如轨道拟合算法和网格拟合算法，对湮灭事件的相关数据进行处理和分析。
综上所述，这项研究在反物质引力测量领域取得了重要突破，为后续研究开辟了新道路，具有极高的科学价值和应用潜力。
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