Учёные из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США совершили неожиданное открытие. Они выяснили, что сверхчувствительный датчик, созданный для регистрации одиночных частиц света (фотонов), с высокой эффективностью способен обнаруживать и высокоэнергетические протоны. Эти заряженные частицы, входящие в состав атомных ядер, играют ключевую роль в исследованиях фундаментальных законов мироздания.
Новое применение для сверхпроводящих нанопроволочных однофотонных детекторов (SNSPD) может значительно повысить точность экспериментов в области ядерной физики и физики элементарных частиц, особенно на передовых ускорительных комплексах. Отчёт об исследовании был опубликован в авторитетном журнале Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A.
«Это применение технологии стало первым в своём роде, — подчеркнул физик из Аргонна Уитни Армстронг. — Этот шаг был критически важен для доказательства работоспособности концепции, поскольку изначально устройство было оптимизировано для фотонов. Успешная демонстрация открывает путь для будущих высокоэффективных приложений в новой области».
Мост между квантовыми технологиями и физикой частиц
Прорыв основан на адаптации технологии, пришедшей из мира квантовых вычислений. Сверхпроводящие нанопроволочные детекторы (SNSPD) обычно используются для регистрации единичных фотонов в таких областях, как квантовая криптография, оптические коммуникации и квантовые компьютеры. Их принцип действия основан на том, что поглощённая частица света вызывает локальный сбой сверхпроводимости в нанопроволоке, что фиксируется как электрический сигнал.
Исследовательская группа обнаружила, что эти же детекторы демонстрируют выдающуюся чувствительность не только к свету, но и к высокоэнергетическим протонам — основным «кирпичикам» атомных ядер, которые разгоняются в ускорителях частиц.
Экспериментальная проверка в условиях ускорителя
Чтобы проверить гипотезу, команда создала несколько прототипов SNSPD с нанопроволоками разной толщины и подвергла их воздействию пучка протонов с рекордной энергией 120 ГэВ. Эксперимент проводился на установке Test Beam Facility в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Фермилаб).
Результаты превзошли ожидания. Проволоки шириной менее 400 нанометров — что в сотни раз тоньше человеческого волоса — продемонстрировали исключительно высокую эффективность детектирования протонов. Наилучшие показатели были достигнуты при ширине проволоки около 250 нанометров.
Обратите внимание: NASA инвестирует в футуристический телескоп, который будет строить сам себя в космосе.
Важным дополнительным преимуществом SNSPD оказалась их способность стабильно работать в условиях сильных магнитных полей, которые являются неотъемлемой частью любого современного ускорителя частиц.«Нам удалось совершить успешный переход от квантовых технологий для детектирования света к экспериментальной ядерной физике, — пояснил физик из Аргонна Томаш Полакович. — Мы взяли фотонный детектор, внесли в его конструкцию некоторые модификации для улучшения работы в магнитных полях и для регистрации массивных частиц. В итоге мы получили чёткий и предсказуемый отклик на протонный пучок».
Перспективы для науки будущего
Открытие новой функции у SNSPD является значительным шагом вперёд для всей области физики высоких энергий. Ранее о возможности детектирования протонов с помощью таких устройств не сообщалось. Эта технология обещает сыграть важную роль в работе будущего электрон-ионного коллайдера (EIC), который строится в Брукхейвенской национальной лаборатории. EIC предназначен для глубочайшего изучения внутренней структуры протонов и нейтронов.
«Диапазон энергий протонов, который мы тестировали в Фермилабе, идеально соответствует тому, с чем мы столкнёмся в экспериментах на EIC, поэтому наши испытания были крайне релевантными», — отметил аспирант-физик из Аргонны Сангбек Ли.
Продемонстрировав, что квантовые датчики могут с высочайшей точностью регистрировать протоны, команда из Аргоннской лаборатории фактически создала новый инструментальный мост между двумя передовыми областями науки: квантовым зондированием и физикой высоких энергий. Это открытие может привести к созданию более чувствительных и точных детекторов для следующих поколений экспериментов, приближая человечество к разгадке тайн фундаментального устройства Вселенной.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.