Будущее коллайдеров: квантовые сенсоры увидят то, что раньше было невидимо

Чтобы глубже понять природу материи, энергии, пространства и времени, физики сталкивают частицы на околосветовых скоростях в ускорителях, создавая потоки из миллионов частиц разных масс и энергий каждую секунду. Эти столкновения могут порождать новые частицы, не предсказанные Стандартной моделью. Уже ведётся разработка новых, более мощных ускорителей. Но как разобраться в хаосе, возникающем при таких столкновениях?

Ответ может дать квантовая сенсорика. Исследователи из национальной лаборатории Fermilab, Калифорнийского технологического института (Caltech), Лаборатории реактивного движения NASA (JPL, управляется Caltech) и других организаций представили новый подход к регистрации высокоэнергетических частиц с помощью квантовых сенсоров — устройств, способных точно фиксировать отдельные частицы.

«В ближайшие 20–30 лет мы станем свидетелями сдвига парадигмы: коллайдеры станут мощнее по энергии и интенсивности», — говорит Мария Спиропулу, профессор физики в Caltech. — «Это требует более точных детекторов. Поэтому мы уже сейчас создаём квантовые технологии, чтобы применить их в поиске новых частиц, тёмной материи и изучении происхождения пространства и времени».

В статье в Journal of Instrumentation описываются первые испытания новой технологии — сверхпроводящих микропроволочных фотонных детекторов (SMSPD) — на тестовом стенде Fermilab. Сенсоры подвергли воздействию пучков протонов, электронов и пионов и подтвердили их высокую эффективность: точность по времени и пространству оказалась выше, чем у классических датчиков.

Это важный шаг к созданию более совершенных детекторов для будущих экспериментов, говорит соавтор Си Се, сотрудник Fermilab и Caltech. «Это только начало. Мы получаем возможность обнаруживать частицы меньших масс, а также экзотические, в том числе кандидатов в тёмную материю».

Экспериментальная установка включала кремниевый телескоп, отслеживающий траектории частиц, и блок SMSPD, размещённый между модулями кремниевых стрип-детекторов и пиксельных сенсоров, как можно ближе к криостату. Сенсоры, спроектированные и изготовленные в JPL, ранее применялись преимущественно в телекоммуникациях и астрофизике (в варианте SNSPD), включая проект Deep Space Optical Communications, в котором лазеры использовались для передачи данных с космического аппарата на Землю.

В отличие от SNSPD, которые не чувствительны к заряженным частицам, SMSPD имеют большую площадь улавливания и успешно показали, что могут фиксировать заряженные частицы — ключевой критерий для задач физики высоких энергий.

Кроме того, SMSPD обеспечивают улучшенное разрешение как по координатам, так и по времени. «Мы называем их 4D-сенсорами, потому что они одновременно дают высокую точность по пространству и времени», — поясняет Си Се. Обычно приходится выбирать: либо точность во времени, либо в пространстве, но не обе сразу.

Это особенно важно, когда миллионы событий происходят ежесекундно. Чтобы отследить траекторию конкретной частицы, необходима высокая частота и разрешение. «В 1980-х считалось, что координат достаточно. Но теперь, с ростом плотности взаимодействий, нужно и временное измерение», — добавляет Спиропулу.

«Мы рады работать над такими передовыми разработками, как SMSPD. Эти сенсоры могут сыграть ключевую роль в будущих мегапроектах, включая Future Circular Collider или мюонный коллайдер», — говорит Кристиан Пенья из Fermilab, выпускник Caltech и руководитель исследования. — «И нам повезло собрать выдающуюся команду учёных из разных стран для продвижения этой области».