3D列印技術開啟粒子偵測新紀元

科學家們正透過3D列印技術，為高能物理學帶來革命性的突破。這項新技術不僅大幅降低了塑膠閃爍體偵測器的製造成本與時間，更為未來的粒子物理研究開闢了新的可能性。研究團隊開發的首個原型「SuperCube」，已成功追蹤宇宙粒子，標誌著3D列印粒子物理技術的重要里程碑。

2024年，T2K合作團隊在升級實驗裝置後，開始收集新的微中子資料。其中一項關鍵裝置「SuperFGD」，是由近兩百萬個小型立方體組成的兩噸重高靈敏度偵測器。這些立方體由塑膠閃爍體（PS）製成，當帶電粒子穿過時會發出光。雖然微中子本身不帶電，但它們偶爾會與其他粒子相互作用，產生電子、質子、μ子或π介子等可被偵測的訊號。每個PS立方體內含三根光纖，分別朝不同方向排列，將發出的光引導至56,000個光電偵測器，從而建立粒子軌跡的三維影象，幫助研究人員更深入瞭解微中子的行為。

然而，建造如此龐大的偵測器也引發了一個重要問題：是否有更有效率的方式來建造大規模偵測器？逐層組裝兩百萬個立方體是一項浩大的工程，高能物理實驗能否從更有效的方法中受益？這些挑戰推動了瑞士聯邦理工學院（ETH Zurich）和歐洲核子研究中心（CERN）等機構的研究人員，開發出全新的3D列印塑膠閃爍體偵測器。這項研究發表於《通訊工程》期刊，被視為3D列印偵測器合作計畫（3DET）的重要進展，由Davide Sgalaberna教授領導，技術協調由Umut Kose博士負責。

塑膠閃爍體偵測器自1950年代提出以來，因其快速時間響應和能量損失測量能力而廣受歡迎。在PS中，螢光物質被引入固體聚合物基質中，當帶電粒子穿過時會激發聚合物基質，並透過非輻射偶極-偶極相互作用將能量轉移給螢光物質，使其在幾奈秒內發出近紫外光。通常還會新增第二種螢光物質，以改變發射光的波長，避免被閃爍體材料吸收。光纖則將PS產生的光轉移到可見光譜的綠色部分，從而捕獲發射光並增加其衰減長度。

為了最佳地追蹤基本粒子，研究人員將許多較小的體積（如SuperFGD中的PS立方體）組裝成所謂的顆粒3D閃爍偵測器。在這種情況下，確保每個小單元的光學隔離至關重要，以便獨立追蹤不同的帶電粒子。3DET合作團隊對此類組裝偵測器非常熟悉，Sgalaberna在T2K合作中構思並領導了SuperFGD的開發和建造。

研究團隊開發的新型製造工藝稱為「融合注射建模」（FIM），結合了融合沉積建模（FDM）和注射成型兩種技術。該工藝分為三個步驟：首先，使用FDM製作5×5層的光學反射框架，作為PS的模具；其次，插入金屬棒以建立光纖的空間；最後，使用加熱沖頭確保頂部表面平整，為下一層5×5矩陣做好準備。透過這一過程，團隊製作了名為「SuperCube」的偵測器，包含125個光學隔離的體素，每個體素由兩根正交波長轉移光纖讀取。

研究人員使用宇宙粒子資料對原型進行效能測試，發現其單立方體閃爍光產量與傳統鑄造聚合物製成的偵測系統相比無顯著差異。雖然FIM的串擾略高，但仍在可接受範圍內。這是首次3D列印閃爍偵測器能夠偵測帶電粒子，並重建其軌跡和能量損失。

目前，團隊正在測試新的原型，以最佳化偵測器體素的光學隔離。同時，Weber正在重新設計整個生產系統，目標是實現自動化列印，以擴大偵測器的製造規模。正如Sgalaberna所指出的，從200萬體素的顆粒偵測器升級到1000萬體素，將為T2K等實驗帶來巨大的提升。隨著偵測器體積的增大，能夠捕捉到的相互作用事件也將更多。看來，3D列印技術確實讓粒子物理學家能夠「想得更大」。