CERN testuje kvantové senzory pro detekci částic i temné hmoty

Vědci z amerického Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) ve spolupráci s mezinárodním týmem z CERNu, NASA Jet Propulsion Laboratory, Caltechu a Univerzity v Ženevě představili slibný pokrok v oblasti kvantových senzorů. Nová třída senzorů, známá jako supravodivé mikrovláknové detektory jednotlivých fotonů (SMSPDs), by mohla zásadně vylepšit detekci vysokoenergetických částic a hledání temné hmoty s dosud nevídanou přesností.

Cílem projektu bylo zlepšit účinnost a časové rozlišení detekce částic, což jsou klíčové parametry pro budoucí experimenty na urychlovačích a pro pátrání po temné hmotě. Cristián Peña, vedoucí vědecký pracovník Fermilab Quantum Institute, zdůraznil význam těchto zjištění: „Tento výzkum je významný, protože ukazuje zlepšení oproti našim prvním měřením s SMSPDs pro detekci nabitých částic.“

Předchozí výzkumy potvrdily schopnost SMSPDs detekovat jednotlivé nabité částice, jako jsou elektrony, protony a piony. Současná studie posunula hranice dále díky použití silnějšího filmu z oxidu křemičitanu wolframu, což vedlo ke zlepšení jak účinnosti detekce, tak časového rozlišení. Zvýšení tloušťky mikrovlákna zesílilo jeho schopnost absorbovat energii z vysokoenergetických nabitých částic. „Poprvé jsme použili SMSPDs k měření účinnosti detekce mionů, což potenciálně rozšiřuje jejich využití pro nové oblasti průzkumu,“ dodal Peña.

Nové možnosti pro částicové urychlovače

Výzkumníci testovali supravodivé mikrovláknové detektory pro efektivní detekci vysokoenergetických částic na zkušebním svazku v CERNu. Tým nyní zkoumá proveditelnost využití mionů, jedné ze základních subatomárních částic, v budoucím vysokoenergetickém mionovém urychlovači. Miony jsou přibližně 200krát těžší než elektrony a jejich unikátní vlastnosti je činí cennými pro studium základních sil a částic.

Budoucí částicové experimenty budou vyžadovat výkonné urychlovače schopné generovat miliony událostí za sekundu. To klade vysoké nároky na nové detektory, které musí být schopny přesně detekovat a sledovat jednotlivé částice jak v prostoru, tak v čase. SMSPD senzory, označované jako 4D senzory díky své schopnosti dosáhnout současně lepšího prostorového a časového rozlišení, vykazují silný potenciál splnit tyto požadavky. Ve srovnání se supravodivými nanodrátovými detektory jednotlivých fotonů (SNSPDs) nabízejí SMSPDs větší aktivní plochu, což zvyšuje jejich schopnost efektivněji detekovat a sledovat nabité částice.

Si Xie, fyzik z Fermilabu a Caltechu, zdůraznil pokračující snahu o zdokonalování těchto senzorů: „Pokračujeme ve vývoji těchto senzorů s vyšší přesností a účinností, abychom splnili potřeby budoucích generací částicových urychlovačů.“

Paralelní výzkum pro detekci temné hmoty

V souběžném úsilí provedla část stejných výzkumníků první podrobnou studii závislosti na teplotě u pole SMSPD senzorů určených pro experimenty s nízkým pozadím při detekci temné hmoty. „Jsme nadšeni, že jsme sestavili světový tým napříč několika institucemi, abychom posunuli tento rozvíjející se výzkum na další úroveň,“ uzavřel Peña.