Plastscintillatorer är ett av de mest använda aktiva materialen inom högenergifysik. Deras egenskaper gör det möjligt att spåra och skilja mellan partikeltopologier. Bland annat, scintillatorer används i detektorer av neutrinoscillationsexperiment, där de rekonstruerar det slutliga tillståndet för neutrinointeraktionen. Mätningar av oscillationsfenomen utförs genom jämförelse av observationer av neutriner i nära detektorer (nära målet) och fjärrdetektorer (upp till flera hundra kilometer bort).

CERN är starkt involverad i T2K-experimentet, det nuvarande världsledande neutrinoscillationsexperimentet, i Japan, som nyligen släppte lovande resultat. En framtida uppgradering av experimentets närdetektor kommer att bana väg för mer exakta resultat. Den nya detektorn kommer att bestå av en tvåtons polystyrenbaserad plastscintillatordetektor uppdelad i 1 x 1 x 1 cm ³ kuber, vilket leder till totalt cirka två miljoner känsliga element:ju mindre kuberna, desto mer exakta resultat. Denna teknik kan användas för andra projekt, såsom DUNE-näradetektorn. Dock, mer exakta mätningar skulle kräva finare granularitet, gör detektoraggregatet hårdare.

Det är här CERN EP-Neutrino-gruppen – ledd av Albert De Roeck – kliver in, utvecklar en ny plastscintillatorproduktionsteknik som involverar additiv tillverkning. FoU utförs i samarbete med Institute for Scintillation Materials (ISMA) vid National Academy of Science of Ukraine, som har stark expertis inom utveckling av scintillatormaterial, och Haute École d'Ingénierie et Gestion du Canton de Vaud (HEIG-VD), som är expert på additiv tillverkning. Det slutliga målet är att 3-D-printa en "superkub, " det är, ett enda massivt block av scintillator som innehåller många optiskt oberoende kuber. 3D-utskrift skulle lösa problemet med att montera de enskilda kuberna, som alltså kunde tillverkas i vilken storlek som helst, inklusive mindre än 1 cm ³ , och relativt snabbt (volymer större än 20 x 20 x 20 cm ³ kan produceras på ungefär en dag).

Än så länge, samarbetet har varit fruktbart. Ett preliminärt test gav det första proof of concept:scintillationsljusutbytet för en polystyrenbaserad scintillator 3-D-printad med fused deposition modellering har visat sig vara jämförbar med den för en traditionell scintillator. Men vägen mot en färdig superkub är fortfarande lång. Ytterligare optimering av scintillatorparametrarna och inställning av 3D-skrivarkonfigurationen, följt av en fullständig karaktärisering av den 3-D-printade scintillatorn, kommer att behöva uppnås innan ljusreflektormaterialet för optisk isolering av kuberna kan utvecklas.

Denna nya teknik kan också öppna upp nya möjligheter för området partikeldetektering. En framgångsrik 3-D-printad plastscintillatordetektor kan bana väg för en bredare användning av denna teknik i detektorbygge, som kan skaka om högenergifysikområdet, såväl som medicinen, där partikeldetektorer används, till exempel, i cancerterapi. Dessutom, den mycket kostnadseffektiva 3D-skrivaren kunde replikeras ganska enkelt och användas i ett stort antal inställningar. Umut Kose, från EP-neutrino-gruppen och Neutrino Platform vid CERN, förklarar:"Vår dröm går utöver superkuben. Vi tycker om att tro att, om några år, 3D-utskrift kommer att tillåta gymnasieelever att göra sina egna strålningsdetekteringssystem. Den här teknikens uppsökande potential är häpnadsväckande."

Davide Sgalaberna, nu på ETH Zürich, kan inte dölja sin entusiasm för detta äventyr:"Detta är första gången som 3-D-utskrift kan användas för riktiga partikeldetektorer. Vi förvandlar vår personliga vilja till ett projekt, och vi hoppas att detta kan leda till ett genombrott. Det är spännande." Denna spänning delas av Davides kollegor, som är mer än redo att återuppta arbetet med den 3-D-printade detektorn när den lättade låsningen tillåter alla att återvända till CERN.