Сверхбыстрая камера засняла ультрафиолетовое излучение
Ученые адаптировали метод сжатой сверхбыстрой фотографии для съемки в ультрафиолетовом диапазоне и предложили алгоритм, который эффективнее справился с восстановлением изображения. Комбинация двух этих разработок позволила ученым фиксировать единичные или очень редкие события со скоростью полтриллиона кадров в секунду. Работа опубликована в журнале Laser & Photonics Reviews.
Сжатую сверхбыструю фотографию в 2014 году впервые продемонстрировала группа ученых из Университета Вашингтона в Сент-Луисе. Им удалось создать сверхбыструю камеру, которая позволяла делать до ста миллионов кадров в секунду. За шесть лет подобные камеры совершенствовались не только с точки зрения самого устройства, но и алгоритмов обработки изображений. Дело в том, что информация об объекте, которую получает компьютер непосредственно с камеры требует дополнительной обработки, поэтому скорость метода и его качество зависит и от алгоритма обработки.
Несмотря на то, что появилось множество новых улучшенных скоростных камер, они все еще могут регистрировать свет только в видимом и инфракрасном диапазоне, но не в ультрафиолетовом (УФ). Снимки в УФ диапазоне нужны, например, для исследования образования дефектов в кристаллах, генерации УФ-импульсов в результате четырехволнового смешения или для визуализации протекания химико-биологических реакций. Кроме того, использование цифрового микрозеркального устройства (DMD) для генераций изображений накладывает ограничения на скорость работы устройства.
Команда ученых из университета Квебека под руководством Цзиньян Ляна (Jinyang Liang) предложили схему сжатой сверхбыстрой фотографии без использования DMD, которая позволяет получать изображения световых импульсов в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Световой пучок в такой схеме преобразуется в поток фотоэлектронов с помощью фотокатода из пленок хрома и палладия на кварцевой подложке. Псевдослучайная топология фотокатода позволяет преобразовать временные особенности сигнала в пространственные перед их преобразованием. Испускаемые фотокатодом электроны ускоряются и помещаются в переменное поле, которым они отклоняются в разные стороны и в итоге попадают на люминофорный экран. Он преобразует электрон обратно в фотоны, которые в итоге попадают на камеру для последующей обработки.
Помимо новой схемы, авторы использовали новый алгоритм обработки после регистрации сигнала камерой. Он позволяет разделить общую оптимизацию на несколько вторичных задач, которые решает с высокой точностью и работает для зашумленных входных данных. Физики сравнили возможности разработанного алгоритма с тем, что удается получить современными алгоритмами (на рисунке TwIST — стандартный алгоритм, PnP-ADMM — разработанный).
Для демонстрации установки в работе ученые использовали импульсы длиной волны 266 нанометров, которые попадали на светоделитель и расходились в два плеча. Два полученных дочерних импульса с контролируемой временной задержкой попадали в систему регистрации. Излучение со стандартным гауссовым распределением интенсивностей авторы пропускали через маски (transmissive target) для того, чтобы создать изображение. В качестве примера они нарисовали светом слова «INRS» и «AXIS» и смогли записать их изображения с разрешением 1750 на 500 пикселей.
Ученые использовали фемтосекундный лазер для всех экспериментов и показали, что камера позволяет разрешать импульсы, расстояние между которыми всего 30 пикосекунд. Вместе с высокими пространственным разрешением и скоростью работы, этот результат говорит о том, что УФ камера может найти множество применений в фундаментальной или прикладной областях науки. А разработанный алгоритм обработки можно использовать для других типов скоростных камер.
Ранее эта же группа ученых смогла заснять движение лазерного импульса с частотой 10 триллионов в секунду. А американские физики сняли движение световой «ударной волны» на 100 миллиардах кадров в секунду.
Оксана Борзенкова
Редкий процесс рассмотрели в совместном массиве данных экспериментов CMS и ATLAS
На Большом адронном коллайдере впервые нашли убедительные следы редкого распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон. Его увидели со статистической точностью в 3,4σ в объединенных данных экспериментов CMS и ATLAS по протон-протонным столкновениям за 2015-2018 года. Обнаруженный сигнал совпал с предсказаниями Стандартной модели, но в будущем подробное изучение распада поможет в поиске различий между теорией и экспериментом. О своих результатах физики рассказали на конференции LHCP-2023, подробнее об открытии сообщается в сопровождающей записке. Бозон Хиггса — знаменитая элементарная частица, объясняющая существование инертной массы у ряда частиц Стандартной модели. Существование этой частицы теоретически предсказал Питер Хиггс еще в 1964 году, а в 2012 году ее обнаружили эксперименты CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере. Бозон Хиггса стал последней экспериментально открытой частицей Стандартной модели, но на этом его исследование не закончилось. Те же самые ATLAS и CMS продолжили изучать свойства бозона, в числе которых — каналы его распада и сила его взаимодействия с другими частицами. Почти все предсказываемые Стандартной моделью свойства бозона Хиггса удалось подтвердить. Но некоторые из распадов этой частицы чрезвычайно редкие, поэтому чтобы увидеть и изучить их необходимо накопить особенно большой массив экспериментальных данных. Один из таких распадов — канал в один переносчик слабого взаимодействия Z-бозон и один фотон. Согласно теории, для бозона Хиггса с массой в 125 гигаэлектронвольт доля этого распада среди всех остальных — примерно 0,15 процента. Именно в такие редкие распады физики изучают в поисках расхождения экспериментальных данной со Стандартной моделью, у которой не получается объяснить ряд проблем в современной физике. Отклонение вероятности такого распада от стандартных теоретических предсказаний могло послужить аргументом в пользу моделей, в которых бозон Хиггса на самом деле нейтральный скаляр или сложная частица. Это же может указать на правдивость теорий с дополнительными еще не открытыми бесцветными заряженными частицами, которые взаимодействуют с бозоном Хиггса через петлевые поправки. Теперь же ученым впервые удалось рассмотреть распад бозона Хиггса на Z-бозон и фотон в результатах экспериментов CMS и ATLAS. Физики проанализировали данные, накопленные за 2015-2018 года в ходе протон-протонных столкновений при энергии в системе центра масс в 13 тераэлектронвольт. Z-бозон искали через продукты уже его распада на мюонную или электрон-позитронную пару с массой больше 50 мегаэлектронвольт. Сам распад идентифицировали через пик инвариантной массы пары Z-бозона и фотона в окрестности массы бозона Хиггса — 125 гигаэлектронвольт. Для увеличения чувствительности анализа данных к изучаемому распаду все события-кандидаты разделяли на несколько категорий в зависимости от канала рождения бозона Хиггса, накладывали ограничения на кинематику продуктов распада, а также использовали машинное обучение. В результате физики увидели искомый распад со статистической точностью в 2,2σ для данных ATLAS и 2,6σ для данных CMS, что в сумме дало статистическую точность в 3,4σ. Также ученые оценили силу сигнала µ — отношение наблюдаемого в эксперименте произведения сечения и вероятности распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон к предсказываемому Стандартной моделью значению. Полученное значение µ = 2.2 ± 0.7 хоть и говорит о результате в два раза больше теоретических предсказаний, но из-за высокой погрешности согласуется с теорией со статистической точностью в 1,9σ. При этом доля изучаемого распада бозона Хиггса среди других его распадов оказалась равной (3.4 ± 1.1) × 10−3. Таким образом, для проверки предсказаний Стандартной модели в данном канале распада все еще требуется больше экспериментальных данных. Это далеко не первый редкий распад бозона Хиггса, который зарегистрировали на Большом адронном коллайдере. К примеру, ранее те же эксперименты CMS и ATLAS увидели канал распада на два мюона. А о том, как и почему для изучения таких редких распадов собираются строить электрон-позитронную хиггсовскую фабрику, можно почитать в нашем материале «100 ТэВ на перспективу».