Partikeldetektoren spielen eine entscheidende Rolle für unser Verständnis der grundlegenden Bausteine des Universums. Sie ermöglichen es Wissenschaftlern, das Verhalten und die Eigenschaften der Partikel in energiereicher Kollisionen zu untersuchen. Solche Partikel werden in großen Beschleunigern auf die Nähe der Lichtgeschwindigkeit gesteigert und dann in Ziele oder andere Partikel zerschlagen, wo sie dann mit Detektoren analysiert werden. Traditionelle Detektoren fehlen jedoch die erforderliche Empfindlichkeit und Präzision für bestimmte Forschungsarten.
Forscher des Argonne National Laboratoriums des US-Energieministeriums (DOE) haben in den jüngsten Experimenten, die in der Teststrahlanlage im Fermi National Accelerator Laboratory von DOE (Fermilab) durchgeführt wurden, einen signifikanten Durchbruch im Bereich mit energiereicher Partikeln erzielt.
Sie haben eine neue Verwendung für die Supercondonding Nanodire Photon Detectors (SNSPDS) gefunden, die bereits zum Nachweis von Photonen, den grundlegenden Lichtteilchen, verwendet wurden. Diese unglaublich empfindlichen und präzisen Detektoren arbeiten, indem sie einzelne Photonen absorbieren. Die Absorption erzeugt kleine elektrische Veränderungen in den supraleitenden Nanodrähten bei sehr niedrigen Temperaturen, was die Nachweis und Messung von Photonen ermöglicht. Spezialisierte Geräte, die in der Lage sind, einzelne Photonen zu erkennen, sind entscheidend für die Quantenkryptographie (die Wissenschaft, Informationen geheim und sicher zu halten), fortschrittliche optische Erfassungen (Präzisionsmessung mit Licht) und Quantencomputer.
In dieser Studie stellte das Forschungsteam fest, dass diese Photonensensoren möglicherweise auch als hoch genaue Partikeldetektoren fungieren könnten, insbesondere für hochenergetische Protonen, die als Projektile in Partikelbeschleunigern verwendet werden. Das Proton ist im Atomkern jedes Elements gefunden und ist ein Teilchen mit einer positiven elektrischen Ladung.
Der Durchbruch des Teams eröffnet auf dem Gebiet der Kern- und Teilchenphysik aufregende Möglichkeiten.
„Dies war ein einzigartiges Einsatz der Technologie“, sagte der Argonne-Physiker Whitney Armstrong. „Dieser Schritt war von entscheidender Bedeutung, um zu zeigen, dass die Technologie so funktioniert, wie wir es wünschen, da sie normalerweise auf Photonen ausgerichtet ist. Es war eine wichtige Demonstration für zukünftige Hochwirkungsanwendungen.“
Das Team machte SNSPDS mit unterschiedlichen Drahtgrößen und testete sie mit einem Strahl von 120 GeV -Protonen in Fermilab, der die nächste Einrichtung für dieses Experiment ausgerüstet war. Diese energiegeladenen Protonen sind wichtig, da sie den Forschern es ermöglichen, die Bedingungen zu simulieren und zu untersuchen, unter denen SNSPDs in Experimenten mit energiereichen Physik ausüben könnten, was wertvolle Einblicke in ihre Fähigkeiten und Einschränkungen liefert.
Sie fanden heraus, dass die Drahtbreiten kleiner als 400 Nanometer-die Breite eines menschlichen Haares ungefähr 100.000 Nanometer beträgt-, die hohe Detektionseffizienz für die Erfassung von Protonen mit hoher Energie erforderlich. Darüber hinaus ergab die Studie eine optimale Drahtgröße von ungefähr 250 Nanometern für diese Anwendung.
Zusätzlich zu ihrer Empfindlichkeit und Präzision arbeiten SNSPDS auch unter hohen Magnetfeldern gut, was sie für die Verwendung in den in Beschleunigern verwendeten supraleitenden Magneten geeignet ist, um die Partikelgeschwindigkeit zu steigern. Die Fähigkeit, hochenergische Protonen mit SNSPDS zu erkennen, wurde noch nie zuvor gemeldet, und dieser Durchbruch erweitert den Umfang der Partikelerkennungsanwendungen.
„Dies war ein erfolgreicher Technologieübertragung zwischen Quantenwissenschaften für die Photonenerkennung in die experimentelle Kernphysik“, sagte Argonne -Physiker Tomas Polakovic. „Wir haben das Photonsensgerät genommen und leichte Änderungen vorgenommen, damit es in Magnetfeldern und Partikeln besser funktioniert. Und siehe, wir haben die Partikel genau so gesehen, wie wir erwartet hatten.“
Diese Arbeit zeigt auch die Machbarkeit der Technologie für den Einsatz im Electron-Ion Collider (EIC), einer hochmodernen Partikelbeschleunigeranlage, die im Brookhaven National Laboratory von DOE errichtet wird. Die EIC kollidiert Elektronen mit Protonen und Atomkern (Ionen), um die innere Struktur dieser Partikel besser zu betrachten, einschließlich der Quarks und Gluonen, aus denen die Protonen und Neutronen der Kerne besteht.
Das EIC erfordert sensible und präzise Detektoren, und SNSPDS sind wertvolle Werkzeuge zum Erfassen und Analysieren der resultierenden Partikel, die in Kollisionen innerhalb des EIC erzeugt werden. „Der Protonenenergiebereich, den wir in Fermilab getestet haben, befindet sich in der Mitte des Energiebereichs des Ion, den wir bei EIC erkennen werden. Daher waren diese Tests gut geeignet“, sagte Sangbaek Lee, eine postdoktorale physikalische Ernennung bei Argonne.
Das Forschungsteam nutzte das reaktive Ionen -Ätzwerkzeug im Zentrum für nanoskalige Materialien, ein DOE Office of Science User Facility bei Argonne.
Weitere Mitwirkende dieser Arbeit sind Alan Dibos, Timothy Draher, Nathaniel Pastika, Zein-Eddine Meziani und Valentine Novosad.
Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in veröffentlicht in Nuklearinstrumente und Methoden in Abschnitt A Physics Research a. Die Studie wurde vom DOE Office of Science, Office of Nuclear Physics, finanziert.
