研究人员发现，原本设计用于探测光子的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）同样可以精确探测高能质子。
这一意外的发现可能会改变核物理，使极端环境下的超灵敏测量成为可能。
费米实验室取得突破性进展
粒子探测器是研究宇宙基本构成的关键工具。它们帮助科学家分析在高能碰撞中产生的粒子的行为和特性。在这些实验中，粒子被加速到接近光速，然后撞击目标或其他粒子。探测器捕捉并测量其结果，揭示出宝贵的见解。然而，传统的探测器往往缺乏某些类型研究所需的灵敏度和精确度。
近日，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的研究人员在高能粒子探测方面取得了重大突破。他们在能源部费米国家加速器实验室（Fermilab）的测试束设施中进行了实验，为更精确、有效的粒子探测开辟了新途径。
革新用于粒子探测的光子传感器
他们发现了超导纳米线光子探测器（SNSPDs）的一种新用途，该探测器已被用于探测光子（光的基本粒子）。这些探测器灵敏度与精确度极高，通过吸收单个光子发挥作用。在极低的温度下，这种吸收会在超导纳米线中产生微小的电变化，从而实现对光子的探测和测量。能够探测单个光子的专用设备对于量子密码学（保持信息秘密和安全的科学）、先进光学传感（利用光进行精密测量）和量子计算至关重要。
从光子到质子：一项惊人的发现
在这项研究中，研究团队发现，这些光子传感器也可能作为高精度粒子探测器，专门用于探测粒子加速器中作为投射物使用的高能质子。质子带正电，是构成每个元素原子核的粒子。
研究团队的这一突破性进展为核物理与粒子物理领域带来了激动人心的新机遇。
阿贡国家实验室物理学家惠特尼·阿姆斯特朗表示：“这是该技术首次被用于此类用途。这一步骤至关重要，能证明该技术可以按我们的预期运行，因为其通常是针对光子。这是对未来具有重大影响应用的一次关键演示。”
挑战极限：费米实验室的高能质子
研究团队制造了不同线径的超导纳米线单光子探测器 (SNSPD)，并在费米实验室用 120 GeV 质子束对它们进行了测试，费米实验室是配备有进行此类实验所需设备的最近的研究机构。这些高能质子至关重要，因为它们能让研究人员模拟和研究超导纳米线单光子探测器在高能物理实验中可能运行的状况，为探测器的能力和局限性提供宝贵的见解。
他们发现，宽度小于400纳米的金属线（人类头发的宽度约为100000纳米）表现出高能质子传感所需的高检测效率。此外，该研究还表明，对于该应用而言，金属线的最佳尺寸为大约250纳米。
拓展粒子加速器的可能性
除了灵敏度和精确度之外，超导纳米线单光子探测器在高磁场中也能很好地运行，这使得它们适合用于加速器中的超导磁体，以加快粒子速度。此前从未有报道表明超导纳米线单光子探测器具备探测高能质子的能力，而此次突破拓展了粒子探测应用的范围。
阿贡国家实验室物理学家托马斯·波拉科维奇表示：“这是量子科学领域（针对光子探测）向实验核物理领域的一次成功的技术转让。我们对光子传感器进行了微调，使其更适用于磁场和粒子。结果，我们观测到的粒子与预期完全相符。”
塑造电子-离子对撞机的未来
这项工作还证明了该技术可用于电子-离子对撞机 (EIC)，这是美国能源部布鲁克海文国家实验室正在建造的前沿粒子加速器设施。EIC 将使电子与质子和原子核（离子）发生碰撞，以便更清楚地观察这些粒子的内部结构，包括构成原子核中质子和中子的夸克和胶子。
电子离子对撞机（EIC）需要灵敏且精确的探测器，而超导纳米线单光子探测器（SNSPD）将是捕获和分析EIC中碰撞产生的粒子的宝贵工具。阿贡国家实验室物理学博士后研究员Sangbaek Lee表示：“我们在费米实验室测试的质子能量范围正好处于我们将在EIC中探测的离子能量范围的中段，因此这些测试非常适合。”
参考文献：《基于120 GeV质子的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）束流测试》，作者：Lee Sangbaek、Tomas Polakovic、Whitney Armstrong、Alan Dibos、Timothy Draher、Nathaniel Pastika、Zein-Eddine Meziani、Valentine Novosad，发表于2024年10月9日，《核仪器与方法》物理研究A辑：加速器、光谱仪、探测器和相关设备。DOI：10.1016/j.nima.2024.169956
研究小组利用了阿贡国家实验室能源部科学办公室用户设施——纳米材料中心的反应离子刻蚀工具。
参与本书编写的其他人员还包括艾伦·迪波斯 (Alan Dibos)、蒂莫西·德雷尔 (Timothy Draher)、纳撒尼尔·帕斯蒂卡 (Nathaniel Pastika)、扎因-埃丁·梅齐亚尼 (Zein-Eddine Meziani) 和瓦伦丁·诺沃萨德 (Valentine Novosad)。
该研究成果已发表于《核仪器与方法物理研究A辑》。本研究由美国能源部科学办公室核物理办公室资助。
