Исследование фундаментальных строительных блоков Вселенной долгое время проводилось путем столкновений субатомных частиц на высоких скоростях, приближенных к скорости света.
Физики изучают материю, энергию, пространство и время через столкновения высоких энергий, которые происходят в мощных ускорителях частиц.
С появлением новых, еще более мощных ускорителей, предстоит разработать более совершенные инструменты для изучения хаотичных столкновений.
Именно в этом случае на помощь придут квантовые сенсоры.
Разработанный новый тип детектора командой из Фермилаба, Калифорнийского технологического института, Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) и международных организаций, способен изменить подход к изучению столкновений частиц. Эксперименты в Фермилабе показали, что сверхпроводящие микроволоконные однофотонные детекторы (SMSPD) обладают удивительной точностью в обнаружении частиц, возникающих в результате взаимодействия с высокоэнергетическими пучками. Точное обнаружение является необходимым в мощных столкновениях.
Согласно профессору физики Шан-И Чэнь из Калифорнийского технологического института Марии Спиропулу, в ближайшие 20-30 лет коллайдеры частиц претерпят значительные изменения, становясь более мощными в плане энергии и интенсивности, что приведет к новой эпохе в этой области. Это сделает обнаружение более сложным, чем когда-либо, в связи с потоком данных, содержащим облака частиц, разлетающихся во все стороны. Поэтому требуются более точные детекторы для эффективного изучения возникающих явлений.
"Новаторские SMSPD-детекторы представляют собой революционное достижение в обнаружении как временных, так и пространственных данных, чего неспособны выполнить обычные детекторы", - так объясняет ученый Си Се из Калифорнийского технологического института, работающий также в Фермилабе. Он описывает их как "датчики четырех измерений", так как они совмещают пространственное и временное разрешения, избегая компромиссов.
Первое крупное тестирование SMSPD прошло в Фермилабе, где детекторы были подвергнуты воздействию высокоэнергетических пучков протонов, электронов и пионов.
Исследование показало, что улучшенные детекторы обладают способностью точно определять время и местоположение движения частиц, что является критическим аспектом при анализе множества взаимодействий, происходящих при столкновениях частиц.
Специалист Се отмечает, что новаторство данного исследования заключается в подтверждении эффективности датчиков в обнаружении заряженных частиц.
Сверхпроводящие однофотонные детекторы на нанопроводах (SNSPD), предшественники улучшенных детекторов SMSPD, применяются для квантовых сетей и оптической связи в космосе, в то время как SMSPD обладают большей площадью поверхности и способностью наблюдать ключевые частицы в экспериментах по физике высоких энергий.
Для распознавания частиц с меньшей массой или возможно новых, включая гипотетические элементы, могут использоваться детекторы.
Считается, что это лишь начало: «Наблюдается возможность обнаружить более легкие частицы и экзотические элементы, которые могут быть частью тёмной материи».
Точность играет ключевую роль в достижении этих сложных целей.
Как подмечает Спиропулу: «В 1980-х годах мы считали, что достаточно пространственных координат, однако теперь… время также стало фактором, на который нужно обращать внимание».
Исследователям помогают SMSPD отслеживать частицы в четырех измерениях, что дает преимущество в сложной среде современных коллайдеров для навигации.