从光子到质子：团队在高能粒子探测方面取得突破

粒子探测器在我们理解宇宙的基本组成部分方面起着至关重要的作用。它们使科学家能够研究高能碰撞中产生的粒子的行为和性质。这些粒子在大型加速器中被提升到接近光速，然后撞向目标或其他粒子，然后用探测器进行分析。然而，传统探测器缺乏某些类型研究所需的灵敏度和精度

美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的研究人员在DOE费米国家加速器实验室（Fermilab）的测试束设施最近进行的实验中，在高能粒子探测领域取得了重大突破

他们为已经用于探测光子（光的基本粒子）的超导纳米线光子探测器（SNSPD）找到了新的用途。这些极其灵敏和精确的探测器通过吸收单个光子来工作。这种吸收在非常低的温度下会在超导纳米线中产生微小的电变化，从而可以检测和测量光子。能够检测单个光子的专用设备对于量子密码学（信息保密和安全的科学）、先进的光学传感（使用光的精确测量）和量子计算至关重要

这项工作发表在《物理研究中的核仪器和方法》杂志A部分：加速器、光谱仪、探测器和相关设备

在这项研究中，研究小组发现，这些光子传感器也可能用作高精度的粒子探测器，特别是用于粒子加速器中用作射弹的高能质子。质子存在于每个元素的原子核中，是一种带正电荷的粒子。

该团队的突破为核物理和粒子物理领域开辟了令人兴奋的机会

“这是该技术的首次使用，”阿贡国家实验室物理学家惠特尼·阿姆斯特朗说。“这一步对于证明该技术以我们想要的方式工作至关重要，因为它通常是面向光子的。这是未来高冲击应用的关键演示。”

该团队制作了不同线径的SNSPD，并在费米实验室用120 GeV质子束对其进行了测试，费米实验室是最接近进行这项实验的设施。这些高能质子很重要，因为它们使研究人员能够模拟和研究SNSPD在高能物理实验中可能运行的条件，为了解它们的能力和局限性提供了有价值的见解

研究人员发现，小于400纳米的线宽（人类头发的宽度约为100000纳米）证明了高能质子传感所需的高检测效率。此外，该研究还揭示了这种应用的最佳线材尺寸约为250纳米

除了灵敏度和精度外，SNSPD在高磁场下也能很好地工作，使其适用于加速器中用于提高粒子速度的超导磁体。利用SNSPD探测高能质子的能力以前从未有过报道，这一突破扩大了粒子探测应用的范围

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阿贡国家实验室物理学家托马斯·波拉科维奇说：“这是量子科学、光子探测和实验核物理之间成功的技术转移。”。“我们采用了光子传感装置，并对其进行了轻微的更改，使其在磁场和粒子中更好地工作。看哪，我们看到了与预期完全一致的粒子。”

这项工作还证明了该技术用于电子离子对撞机（EIC）的可行性，这是美国能源部布鲁克海文国家实验室正在建造的一个尖端粒子加速器设施。EIC将电子与质子和原子核（离子）碰撞，以更好地了解这些粒子的内部结构，包括构成原子核质子和中子的夸克和胶子

EIC需要灵敏和精确的探测器，SNSPD将是捕获和分析EIC内碰撞产生的粒子的宝贵工具

“我们在费米实验室测试的质子能量范围正好位于我们将在EIC检测到的离子能量范围的中间，所以这些测试非常适合，”阿贡大学物理学博士后Sangbaek Lee说

研究小组使用了阿贡国家实验室美国能源部科学办公室用户设施纳米材料中心的反应离子蚀刻工具。这项工作的其他贡献者包括Alan Dibos、Timothy Draher、Nathaniel Pastika、Zein Eddine Meziani和Valentine Novosad More information: Sangbaek Lee et al, Beam tests of SNSPDs with 120 GeV protons, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment (2024). DOI: 10.1016/j.nima.2024.169956