För att lära sig mer om materiens, energins, rymdens och tidens natur krockar fysiker högenergipartiklar i stora acceleratorer, vilket skapar sprut av miljontals partiklar per sekund med olika massa och hastighet. Kollisionerna kan också ge upphov till helt nya partiklar som inte förutses av standardmodellen, den rådande teorin om fundamentala partiklar och krafter i vårt universum. Planer pågår för att skapa ännu kraftfullare partikelacceleratorer, vars kollisioner kommer att utlösa ännu större subatomära stormar. Hur ska forskarna sortera i kaoset?
Svaret kan ligga i kvantsensorer. Forskare från Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) vid det amerikanska energidepartementet, Caltech, NASA:s Jet Propulsion Laboratory (som förvaltas av Caltech) och andra samarbetsinstitutioner har utvecklat en ny metod för detektering av högenergipartiklar som utnyttjar kraften i kvantsensorer – enheter som kan detektera enskilda partiklar med hög precision.
”Under de kommande 20 till 30 åren kommer vi att se ett paradigmskifte inom partikelkollisioner när de blir mer kraftfulla i energi och intensitet”, säger Maria Spiropulu, Shang-Yi Ch’en-professor i fysik vid Caltech.
”Och det betyder att vi behöver mer precisa detektorer. Det är därför vi utvecklar kvanttekniken idag. Vi vill inkludera kvantavkänning i vår verktygslåda för att optimera nästa generations sökande efter nya partiklar och mörk materia, och för att studera ursprunget till rum och tid.”
I en rapport i Journal of Instrumentation testade forskarteamet, som även inkluderar samarbetspartners vid universitetet i Genève och Universidad Santa María i Venezuela, sin nya teknik, kallad supraledande mikrodrätsenfoton-detektorer (SMSPD), för första gången vid Fermilab nära Chicago. De utsatte kvantsensorerna för högenergistrålar av protoner, elektroner och pioner och visade att sensorerna var mycket effektiva för att detektera partiklarna med förbättrad tids- och rumsupplösning jämfört med traditionella detektorer.
Detta är ett viktigt steg mot utvecklingen av avancerade detektorer för framtida partikelfysikexperiment, säger medförfattaren Si Xie, forskare vid Fermilab som även är forskare vid Caltech.
”Det här är bara början”, säger han. ”Vi har potential att detektera partiklar med lägre massa än tidigare, samt exotiska partiklar som kan utgöra mörk materia.”
Experimentuppställningen för att studera SMSPD vid Fermilab Test Beam Facility. Ett kiselteleskop spårar positionen för varje partikel som träffar det. SMSPD placeras mellan teleskopets sex remsmoduler på ena sidan och fyra pixlar plus ytterligare sex remsmoduler på den andra. Modulerna placeras så nära kryostaten som möjligt. Bild: Christina Wang, Fermilab
Kvantsensorerna som används i studien liknar en besläktad familj av sensorer (kallade supraledande nanotrådsdetektorer för enfoton, eller SNSPD), som har tillämpningar inom kvantnätverk och astronomiska experiment. Forskare vid JPL, som är bland världens främsta experter på att konstruera och tillverka dessa sensorer, har till exempel nyligen använt dem i Deep Space Optical Communications-experimentet, en teknikdemonstration som använde lasrar för att överföra högupplöst data från rymden till marken.
Spiropulu, Xie och andra forskare från Fermilab, Caltech och JPL har också använt SNSPD-sensorerna i kvantnätverksexperiment, där de teleporterade information över långa avstånd – ett viktigt steg i utvecklingen av ett kvantinternet i framtiden. Programmet, som kallas Intelligent Quantum Networks and Technologies (INQNET), grundades 2017 av Caltech och AT&T.
För partikelfysiktesterna använde forskarna SMSPD:er istället för SNSPD:er, eftersom de har en större yta för att samla upp partikelstrålarna. De använde sensorerna för att detektera laddade partiklar för första gången, en förmåga som inte behövs för kvantnätverk eller astronomiska tillämpningar men som är viktig för partikelfysikexperiment. ”Det nya med denna studie är att vi har bevisat att sensorerna effektivt kan detektera laddade partiklar”, säger Xie.
SMSPD-sensorerna kan också detektera partiklar mer exakt i både tid och rum. ”Vi kallar dem 4D-sensorer eftersom de kan uppnå bättre rumslig och tidsmässig upplösning samtidigt”, säger Xie. ”Normalt måste man i partikelfysikexperiment ställa in sensorerna för att få antingen mer exakt tidsupplösning eller rumslig upplösning, men inte båda samtidigt.”
När forskare analyserar partikelkluster som flyger ut från höghastighetskollisioner vill de kunna spåra deras banor i rum och tid med precision.
Som en analogi kan man tänka sig att man vill använda övervakningsbilder för att spåra en misstänkt person som gömmer sig i en folkmassa som strömmar in på Grand Central Station från olika tåg. Man vill att bilderna ska ha tillräcklig rumslig upplösning för att kunna spåra enskilda personer. Men man vill också ha tillräcklig tidsupplösning för att vara säker på att man fångar den person man är intresserad av. Om man bara kan få bilder som tas var tionde sekund kan man missa personen, men om man har bilder som tas varje sekund har man bättre chanser.
”I dessa kollisioner kanske du vill spåra prestandan hos miljontals händelser per sekund”, säger Spiropulu. ”Du översköljs av hundratals interaktioner, och det kan vara svårt att hitta de primära interaktionerna med precision. På 1980-talet trodde vi att det räckte med rumsliga koordinater, men nu när partikelkollisionerna blir intensivare och producerar fler partiklar måste vi också spåra tiden.”
”Vi är mycket glada över att arbeta med avancerad forskning och utveckling av detektorer som SMSPD, eftersom de kan spela en avgörande roll i viktiga projekt inom området, såsom den planerade Future Circular Collider eller en myonkollider”, säger Fermilabs forskare och Caltech-alumn Cristián Peña (Ph.D. ’17), som ledde forskningen. ”Och vi är mycket glada över att ha samlat ett världsledande team från flera institutioner för att ta denna nya forskning till nästa nivå.”
Mer information: Cristián Peña et al, High energy particle detection with large area superconducting microwire array, Journal of Instrumentation (2025). DOI: 10.1088/1748-0221/20/03/P03001
