物理学家正在利用量子传感器的奇异世界，以期在高能实验的下一代粒子探测器上实现革命性突破。

这些新型超导探测器不仅提供了更高的空间分辨率，还能够追踪事件的时间，这对于解析混乱的粒子碰撞至关重要。通过利用最初为天文学和网络开发的最前沿量子技术，研究人员在识别以前无法探测到的粒子（包括暗物质的潜在组成部分）方面取得了巨大进展。

用粒子对撞机解开宇宙之谜

为了更好地理解物质、能量、空间和时间的基本性质，物理学家使用了一种强大的机器——粒子加速器。这些机器每秒都会使高能粒子发生碰撞，产生数百万个新粒子，这些新粒子各具不同的质量和速度。有时，这些碰撞甚至会产生不符合标准模型的粒子，而标准模型是目前解释宇宙基本构成单元的主流理论。

现在，研究人员正计划建造功能更强大的加速器，产生强度更高的碰撞。但是，面对如此复杂的局面，科学家要如何整理出碰撞后产生的亚原子混乱呢？

量子传感器：精准度上的突破

关键或许在于量子传感器。美国能源部费米实验室、加州理工学院、美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，简称JPL）及其他机构的科学家正在开发一种使用量子传感器的新型粒子探测系统，量子传感器是超灵敏装置，能够高精度探测单个粒子。 “在未来20到30年里，随着能量和强度的提升，粒子对撞机将发生范式转变，”加州理工学院陈尚义物理学教授玛丽亚·斯皮罗普卢（Maria Spiropulu）说道。“这意味着我们需要更精密的探测器。这就是我们今天要开发量子技术的原因。我们希望将量子传感纳入我们的工具箱，以优化下一代新粒子和暗物质的搜寻工作，并研究宇宙和时间的起源。”

量子探测器的首次现实世界测试

该研究团队还在《仪器学杂志》上发表了报告，团队成员还包括来自日内瓦大学和智利圣玛丽亚技术大学的合作者。研究团队在芝加哥附近的费米国家加速器实验室首次测试了名为“超导微波单光子探测器（superconducting microwire single-photon detectors，简称SMSPDs）”的新技术。他们使量子传感器暴露在质子、电子和介子的高能光束下，证明与传统探测器相比，该传感器在检测粒子方面具有更高的效率，并且具有更好的时间和空间分辨率。

费米实验室（Fermilab）科学家兼本文合著者西·谢（Si Xie，音译）也是加州理工学院（Caltech）的研究科学家，他表示：“这是开发未来粒子物理实验先进探测器的重要一步。”“这只是个开始，”他说，“我们有可能探测到比以前质量更小的粒子，以及可能构成暗物质的奇异粒子。”

天文学与量子网络的起源

该研究使用的量子传感器与一系列相关传感器（称为超导纳米线单光子探测器，或SNSPD）类似，这些传感器可用于量子网络和天文学实验。例如，喷气推进实验室（JPL）的研究人员（他们是设计和制造这些传感器的世界顶级专家）最近将这些传感器用于深空光通信实验，这是一项技术演示，使用激光从太空向地面传输高清数据。

斯皮罗普卢、谢以及来自费米实验室、加州理工学院和喷气推进实验室的其他科学家也在量子网络实验中使用了超导纳米线单光子探测器传感器，在这些实验中，他们远距离传输了信息，这是未来开发量子互联网的重要一步。该项目名为“智能量子网络与技术”(INQNET)，由加州理工学院和美国电话电报公司于2017年联合创立。

粒子物理的新能力

在粒子物理测试中，研究人员使用单分子超导光子探测器（SMSPD），而非超导纳米线单光子探测器（SNSPD），因为前者的表面积更大，便于收集粒子喷溅。他们首次使用这些传感器来检测带电粒子，而这种能力对于量子网络或天文学应用来说并不需要，但对于粒子物理实验来说却是必不可少的。“这项研究的创新之处在于，我们证明了这些传感器可以有效地检测带电粒子，”谢（Xie）说道。

SMSPD传感器还能更精确地在空间和时间上探测粒子。“我们称它们为4D传感器，因为它们能同时实现更好的空间和时间分辨率，”谢说。“通常在粒子物理实验中，你必须调整传感器以获得更精确的时间或空间分辨率，但不能同时获得两者。”

为什么四维空间在粒子追踪中很重要

当研究人员分析高速碰撞后飞出的粒子束时，他们希望能够精确追踪这些粒子在时空中的轨迹。打个比方，假设你想通过安检图像追踪一名混入从不同列车蜂拥而入大中央车站的人群中的可疑人员。你希望图像具有足够的空间分辨率来追踪个体。但你也希望图像有足够的时间分辨率，以确保你能锁定感兴趣的人。如果你只能每10秒获得一张图像，你可能会错过这个人，但如果你能每秒获得一张图像，你抓住他的机会就会大很多。

斯皮罗普卢说：“在这些碰撞中，您可能希望每秒追踪数百万个事件的表现。“会有数百种相互作用向您涌来，很难精确找到主要的相互作用。20世纪80年代，我们认为有了空间坐标就足够了，但现在，随着粒子碰撞变得更加剧烈，产生了更多粒子，我们还需要追踪时间。”

为未来的对撞机铺平道路

领导此次研究的费米实验室科学家兼加州理工学院校友克里斯蒂安·佩纳（博士’17）表示：“能够从事诸如超导纳米线单光子探测器（SMSPDs）等尖端探测器的研发工作，我们感到十分激动，因为它们在领域内的重大项目中可能发挥至关重要的作用，比如计划中的未来环形对撞机或缪子对撞机。我们也很荣幸能够组建一支由多家机构组成的世界级团队，将这项新兴研究推向新的高度。”

参考文献：《大面积超导微丝阵列的高能粒子探测》，作者：克里斯蒂安·佩纳、克里斯蒂娜·王、奚思、阿道夫·伯恩海姆、马蒂亚斯·巴里亚、克劳迪奥·圣马丁、瓦伦蒂娜·维加、阿图尔·阿普雷西安、伊曼纽尔·克内尔、鲍里斯·科尔日、杰米·卢斯金、劳塔罗·纳瓦埃斯、萨希尔·帕特尔、马修·肖和玛丽亚·斯皮罗普卢，发表于2025年3月4日，刊登于《仪器学杂志》。DOI：10.1088/1748-0221/20/03/P03001

本研究由美国能源部、费米实验室、智利国家研究与发展机构（ANID）和费德里科·圣玛丽亚技术大学资助。加州理工学院的其他作者包括前研究生王克莉丝汀娜（24届博士生）、研究科学家阿迪·波恩海姆、博士后安德鲁·米勒（24届博士生）和研究生萨希尔·帕特尔（22届硕士生）。其他喷气推进实验室的作者包括鲍里斯·科尔日（现为日内瓦大学教授）、杰米·卢斯金和马修·肖。