В журнале Journal of Instrumentation вышла работа ученых из Фермилаб (Fermilab), Калтеха (Caltech), лаборатории реактивного движения NASA (JPL), а также университетов Женевы и Санта-Марии в Венесуэле. Исследователи протестировали новую технологию детекторов элементарных частиц, основанную на квантовых сенсорах, которые отличаются высокой точностью и чувствительностью. Эти сенсоры способны фиксировать отдельные частицы и определять не только их положение, но и время пролета с беспрецедентной точностью.
Сенсоры, которые получили название SMSPD (сверхпроводящие микропроволочные детекторы одиночных фотонов), впервые прошли испытания в условиях мощного пучка частиц на тестовом стенде вблизи Чикаго. Устройства показали отличную эффективность при обнаружении протонов, электронов и пионов — легких частиц, участвующих в сильных ядерных взаимодействиях.
Одной из главных целей эксперимента было подтвердить, что такие сенсоры могут фиксировать заряженные частицы, что является критически важным для физики высоких энергий. До этого подобные технологии чаще использовались в квантовых коммуникациях и астрономии, например, для приема лазерных сигналов из глубокого космоса.
Ключевое преимущество новой технологии — возможность объединения пространственного и временного разрешения, то есть сенсоры одновременно определяют координаты и точное время прохождения частиц. Такие данные позволяют точнее восстанавливать картину столкновений, которые происходят в ускорителях, где ежесекундно генерируются миллионы взаимодействий.
Физик Кристиан Пенья из Fermilab отметил, что технология SMSPD может стать основой для новых поколений детекторов, которые будут использоваться в перспективных проектах — таких, как будущее кольцевое коллайдерное ускорение (Future Circular Collider) или мюонный коллайдер. Эти установки разрабатываются для создания условий, при которых могут появляться частицы, не описываемые современной физикой.
«Нам нужно быть готовыми к новым вызовам, которые принесет с собой развитие ускорителей, — говорит профессор Мария Спиропулу из Калтеха. — Мы хотим, чтобы квантовые сенсоры стали неотъемлемой частью наших инструментов для поиска частиц темной материи и изучения происхождения пространства и времени».
Команда подчеркивает, что это только начало. Потенциал технологии огромен — от регистрации частиц меньших масс до обнаружения экзотических, ранее недоступных объектов. По словам соавтора исследования, ученого Си Се из Fermilab, новые сенсоры уже открывают путь к поиску частиц, которые могли бы составлять темную материю, ту самую «невидимую» составляющую Вселенной, проявляющую себя лишь через гравитацию.
Подход к поиску темной материи становится все разнообразнее — ученые используют не только ускорители и сенсоры, но и экзотические материалы. Например, недавно был предложен оригинальный метод с участием «космического радио», основанный на свойствах особого квазичастичного материала.
