Исследователи Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) обнаружили высокочувствительный датчик, изначально предназначенный для обнаружения света, который также может обнаруживать высокоэнергетические протоны — частицы, играющие решающую роль в понимании фундаментальных сил Вселенной.
Это неожиданное применение сверхпроводящих нанопроволочных однофотонных детекторов (SNSPD) может повысить точность экспериментов по физике частиц и ядерных исследований, в том числе проводимых на ускорителях частиц нового поколения. Результаты работы команды были опубликованы в журнале Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A.
«Это было первое в своем роде применение технологии», — сказал в своем недавнем заявлении физик из Аргонне Уитни Армстронг. «Этот шаг был очень важен для демонстрации того, что технология работает так, как мы хотим, потому что обычно она ориентирована на фотоны. Это была ключевая демонстрация для будущих высокоэффективных приложений».
Прорыв произошел из неожиданного источника: сверхпроводящие нанопроволочные однофотонные детекторы (SNSPD), которые обычно используются для обнаружения фотонов — фундаментальных частиц света. SNSPD поглощают отдельные фотоны, генерируя небольшие электрические изменения в сверхпроводящих нанопроволоках, что позволяет проводить точные обнаружения и измерения. Эти детекторы широко используются в квантовой криптографии, оптическом зондировании и квантовых компьютерах. Однако исследователи из Аргонна обнаружили, что эти высокочувствительные детекторы могут также обнаруживать высокоэнергетические протоны — положительно заряженные частицы, находящиеся в атомном ядре — при облучении пучками ускорителей частиц.
Чтобы проверить свою идею, команда изготовила SNSPD с различными размерами проволоки и подвергла их воздействию пучка протонов с энергией 120 ГэВ (гигаэлектронвольт) на установке Test Beam Facility в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (Фермилаб) Министерства энергетики США. Этот эксперимент позволил исследователям смоделировать условия, в которых SNSPD могут работать в экспериментах по физике высоких энергий.
Результаты оказались многообещающими. Проволока шириной менее 400 нанометров — тоньше, чем доля человеческого волоса, — показала высокую эффективность обнаружения, необходимую для определения протонов. Оптимальный размер проволоки для такого применения был определен на уровне 250 нанометров.
Помимо чувствительности, SNSPD обладают еще одним важным преимуществом: они эффективно работают в условиях сильных магнитных полей. Это делает их особенно подходящими для использования в ускорителях, где мощные сверхпроводящие магниты используются для разгона частиц до околосветовых скоростей.
«Это был успешный переход от квантовых наук для обнаружения фотонов к экспериментальной ядерной физике», — сказал в своем заявлении физик из Аргонна Томаш Полакович. «Мы взяли устройство для обнаружения фотонов и внесли небольшие изменения, чтобы оно лучше работало в магнитных полях и для частиц. И вот, мы увидели частицы именно так, как и ожидали».
Последствия для будущих исследований О возможности обнаружения высокоэнергетических протонов с помощью SNSPD никогда ранее не сообщалось, что делает это открытие важным шагом вперед для ядерной физики и физики частиц. Технология может сыграть ключевую роль в предстоящем электронно-ионном коллайдере (EIC), новейшем ускорителе частиц, строящемся в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики. EIC предназначен для изучения фундаментальной структуры протонов и нейтронов путем столкновения электронов с протонами и атомными ядрами.
«Диапазон энергий протонов, который мы тестировали в Фермилабе, находится прямо посередине диапазона энергий ионов, которые мы будем регистрировать в EIC, поэтому эти тесты хорошо подходят», — говорит Сангбек Ли, аспирант физики в Аргонне.
Доказав, что SNSPD могут обнаруживать высокоэнергетические протоны с поразительной точностью, команда из Аргонны открыла новые возможности для технологии обнаружения частиц, преодолев разрыв между квантовым зондированием и физикой высоких энергий. Их результаты могут повысить чувствительность и точность будущих экспериментов, помогая ученым раскрыть более глубокие знания о фундаментальных строительных блоках Вселенной.