量子傳感器提升粒子探測時空精度

SMSPD可以精確地探測單個粒子。圖片來源：美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室

科技日報北京4月27日電 （記者張佳欣）據(jù)美國加州理工學(xué)院官網(wǎng)近日消息，來自美國、瑞士、委內(nèi)瑞拉等國的聯(lián)合研究團(tuán)隊在《儀器儀表期刊》發(fā)表論文，宣布開發(fā)出基于量子傳感技術(shù)的超導(dǎo)微線單光子探測器（SMSPD），可實(shí)現(xiàn)粒子物理實(shí)驗(yàn)中的時空同步高精度追蹤。

研究團(tuán)隊在美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室測試了SMSPD。他們將量子傳感器暴露在高能質(zhì)子束、電子束和π介子束下，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)探測器相比，該探測器在探測粒子時效率極高。

SMSPD與超導(dǎo)納米線單光子探測器相似，后者在量子網(wǎng)絡(luò)和天文學(xué)實(shí)驗(yàn)中已有應(yīng)用。然而，SMSPD具有更大的表面積，能收集更多粒子噴流，更適合用于粒子物理實(shí)驗(yàn)。在測試中，研究團(tuán)隊首次探測了帶電粒子，這一能力在量子網(wǎng)絡(luò)或天文學(xué)應(yīng)用中并非必需，但在粒子物理實(shí)驗(yàn)中卻至關(guān)重要。

SMSPD還能在空間和時間上更精確地探測粒子。當(dāng)研究人員分析高速碰撞后飛出的粒子束時，他們希望精確追蹤這些粒子的軌跡，以便更好理解碰撞過程和可能產(chǎn)生的新物理現(xiàn)象。SMSPD為這一需求提供了有力支持。

由于能同時實(shí)現(xiàn)更好的時空分辨率，研究團(tuán)隊將SMSPD稱為“四維傳感器”，并打比方說，這就像在繁忙的中央車站追蹤一名混入人群的嫌疑人，既需要高清畫面看清每個個體的面容，也需要每秒拍攝數(shù)十幀的高速連拍，否則目標(biāo)人物可能在下一個瞬間就消失在茫茫人海中。在當(dāng)前的粒子碰撞實(shí)驗(yàn)中，每秒都會發(fā)生數(shù)百萬次粒子相互作用，科學(xué)家不僅要從海量信號中鎖定目標(biāo)，更要精確還原每個粒子的時空軌跡。