为了更好地了解物质、能量、空间和时间的本质，物理学家们通过撞击在大型加速器机器中将高能粒子捣碎在一起，产生每秒数百万个具体不同质量和速度的粒子喷雾。这些碰撞还可能产生标准模型未能预测的全新粒子，而标准模型是我们宇宙中基本粒子和力的主流理论。目前，人们正在计划建造更强大的粒子加速器，其碰撞将引发更大规模的亚原子风暴。研究人员将如何从这种混乱中筛选出有用的信息呢？答案可能就在量子传感器中。
近日，来自美国能源部费米国家加速器实验室（Fermilab）、加州理工学院（Caltech）、由加州理工学院管理的美国宇航局喷气推进实验室（JPL）和其他合作机构的研究人员使用一种新颖的仪器合作开发了全新的高能粒子检测方法，该方法利用量子传感器（能够精确检测单个粒子的设备）的强大功能。
“在未来的20到30年里，我们会见证粒子对撞机的范式转变，因为它们在能量和强度方面将变得更加强大，”Maria Spiropulu 说。加州理工学院物理学教授Shang-Yi Ch'en说， “这就意味着我们需要更精确的探测器。这也是我们今天开发量子技术的原因。我们希望把量子传感纳入我们的工具箱中，以优化对新粒子和暗物质的下一阶段搜索，并研究空间和时间的起源。”
在《仪器杂志》（Journal of Instrumentation）上发表的一份报道中，该研究团队（还包括日内瓦大学和智利费德里科圣玛丽亚技术大学的合作者）首次在芝加哥附近的费米实验室测试了其名为超导微丝单光子探测器（SMSPDs）的新技术。他们将量子传感器暴露在高能质子、电子和π介子束中，这些传感器在探测粒子方面具有更高的效率，并且在时间和空间分辨率上有所提高。
这是朝着为未来粒子物理实验开发先进探测器迈出的重要一步，合著者、费米实验室的科学家谢思（Si Xie）表示，他同时在加州理工学院担任联合研究科学家。“这只是个开始，”他说。“我们有可能会探测到质量更低的粒子，以及可能构成暗物质的奇异粒子。”
该研究中使用的量子传感器与一类相关的传感器（称为超导纳米线单光子探测器，即 SNSPDs）类似，它们在量子网络和天文学实验中都有应用。例如，喷气推进实验室（JPL）的研究人员（世界上设计和制造这些传感器的顶尖专家之一）最近在深空光通信实验中使用了这些传感器，这项实验演示了如何使用激光将高清数据从太空传输到地面。
斯皮罗普卢、谢思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SNSPDs传感器，他们通过这些传感器在长距离之间传输信息——这是未来开发量子互联网的重要一步。该计划被称为智能量子网络和技术（INQNET），由加州理工学院和AT&T于2017年联合创立。
在粒子物理测试中，研究人员使用的是超导微丝单光子探测器（SMSPDs），而不是超导纳米线单光子探测器（SNSPDs），因为它们具有更大的表面积，可用于收集粒子喷雾。他们首次使用这些传感器来探测带电粒子，这种能力对于量子网络或天文学应用来说并不是必需的，但对于粒子物理学实验来说缺是必不可少的。“这项研究的新颖之处在于，我们证明了这些传感器可以有效地检测带电粒子，”谢思说。
超导微丝单光子探测器（SMSPDs）还可以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，因为它们可以同时实现更好的空间和时间分辨率，”谢思说。“通常在粒子物理学实验中，你必须调整传感器以获得更精确的时间或空间分辨率，但不能同时实现两者。”
当研究人员分析从高速碰撞中飞出的粒子束时，他们希望能够精确地追踪它们在空间和时间上的路径。打个比方，假设您想利用安保图像来追踪一个藏在从不同列车涌入纽约中央车站的人群中的可疑人物。您可能希望图像具有足够高的空间分辨率以便更好的追踪个体。但是您还需要足够精确的时间分辨率以确保您抓住了真正感兴趣的人。如果你只能获得每10秒拍摄一次的图像数据，你很可能会错过这个人，但如果你有每秒钟都拍摄一次的图片，你的机会显然就会更大。
“在这些碰撞中，你可能想要追踪每秒发生的数百万个事件，” 斯皮罗普卢说。“您被数百万次的交互现象所淹没，很难精确地找到主要的交互过程。回到20世纪80年代，我们还认为拥有空间坐标就足够了，但如今，随着粒子碰撞变得更加强烈，产生更多的粒子，我们还需要跟踪时间。
“我们非常高兴能够从事像超导微丝单光子探测器（SMSPDs）这样的尖端探测器研发工作，因为它们可能会在该领域的标志性项目中发挥至关重要的作用，比如计划中的未来环形对撞机或μ子对撞机，” 费米实验室科学家、加州理工学院校友克里斯蒂安·佩尼亚（Cristián Pe?a，2017年博士毕业）说，他领导了这项研究。“很高兴能够汇聚来自世界上多个机构的研究人员，从而组建了一支世界级的团队，我们会将这项新兴技术的研究推向一个前所未有的高度。”
这项名为“使用大面积超导微丝阵列进行高能粒子检测”的研究由美国能源部、费米实验室、智利国家研究与发展局（ANID）和费德里科圣玛丽亚技术大学资助。其他加州理工学院的作者包括前研究生王晶（Christina Wang，2024年博士毕业）、研究科学家阿迪·博恩海姆（Adi Bornheim）、博士后安德鲁·穆勒（Andrew Mueller，2024年博士毕业）以及研究生萨希尔·帕特尔（Sahil Patel，2022年硕士毕业）。其他喷气推进实验室的作者包括鲍里斯·科日（Boris Korzh，现为日内瓦大学教授）、杰米·卢斯金（Jamie Luskin）和马修·肖（Matthew Shaw）。
