От фотонов к протонам: новый прорыв в обнаружении частиц высоких энергий
Физики адаптировали сверхпроводящие нанопроволочные детекторы фотонов, сделав их чувствительными и точными детекторами высокоэнергетических частиц.
Детекторы частиц являются ключевым инструментом в изучении фундаментальных строительных блоков Вселенной. Они позволяют ученым исследовать свойства и поведение частиц, образующихся при столкновениях высоких энергий. Такие частицы разгоняются до скоростей, близких к скорости света, в крупных ускорителях, после чего сталкиваются с мишенями или другими частицами, а их характеристики анализируются с помощью детекторов. Однако традиционные детекторы не всегда обладают достаточной чувствительностью и точностью для определенных типов исследований.
Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории совершили значительный прорыв в области обнаружения частиц высоких энергий. В ходе экспериментов на установке испытательного пучка в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (Fermilab) они нашли новое применение для сверхпроводящих нанопроволочных фотонных детекторов (SNSPD).
Эти детекторы, изначально разработанные для обнаружения фотонов, демонстрируют невероятную чувствительность и точность, работая при сверхнизких температурах. Поглощение фотонов вызывает небольшие электрические изменения в сверхпроводящих нанопроволоках, что позволяет детектировать и измерять отдельные частицы света. Такие устройства уже используются в квантовой криптографии, оптическом зондировании и квантовых вычислениях.
В исследовании, опубликованном в журнале «Ядерные приборы и методы в физических исследованиях», ученые продемонстрировали, что SNSPD могут также эффективно детектировать высокоэнергетические протоны, используемые в ускорителях частиц. Протоны, находящиеся в ядрах атомов, являются положительно заряженными частицами, и их обнаружение с помощью SNSPD открывает новые возможности в ядерной физике и физике элементарных частиц.
Эксперименты проводились с использованием пучка протонов с энергией 120 ГэВ в Fermilab. Исследователи создали SNSPD с различными размерами проводов и обнаружили, что ширина проволоки менее 400 нанометров обеспечивает высокую эффективность обнаружения протонов. Оптимальный размер проволоки для этого применения составил около 250 нанометров. Кроме того, SNSPD продемонстрировали устойчивость к сильным магнитным полям, что делает их пригодными для использования в сверхпроводящих магнитах ускорителей.
«Это было первое в своем роде использование технологии», — сказал физик из Аргонна Уитни Армстронг. «Такой шаг был критически важным для демонстрации того, что технология работает так, как мы хотим, поскольку она обычно ориентирована на фотоны. Это была ключевая демонстрация для будущих высокоэффективных приложений».
Прорыв имеет важное значение для будущих экспериментов, таких как электронно-ионный коллайдер (EIC), который строится в Брукхейвенской национальной лаборатории. EIC будет сталкивать электроны с протонами и ионами, чтобы изучать внутреннюю структуру этих частиц, включая кварки и глюоны. SNSPD станут ценным инструментом для анализа частиц, образующихся в таких столкновениях.
Исследование также демонстрирует успешный перенос технологий из квантовой науки в экспериментальную ядерную физику. Ученые адаптировали устройство для обнаружения фотонов, внеся небольшие изменения, чтобы оно могло эффективно работать в магнитных полях и детектировать частицы. Этот подход открывает новые горизонты для применения SNSPD в физике высоких энергий и других областях науки.