Учёные из Калифорнийского технологического института (Caltech), Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) и Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) разработали и успешно испытали квантовые сенсоры — сверхчувствительные устройства, способные улавливать одиночные частицы с невероятной точностью. Эти сенсоры, названные сверхпроводящими микропроволочными детекторами одиночных фотонов (SMSPDs), протестировали на мощных пучках частиц в Fermilab, и результаты превзошли все ожидания.
Физики изучают природу материи, энергии, пространства и времени, сталкивая частицы на огромных скоростях в гигантских ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер. Эти столкновения создают настоящие «штормы» из миллионов частиц, летящих с разной скоростью и массой. Иногда в этом хаосе появляются совершенно новые частицы, которых не предсказывает Стандартная модель — наша главная теория о том, из чего состоит Вселенная. Но как поймать эти редкие частицы среди миллиардов других? Традиционные детекторы уже не справляются с такой задачей, особенно с учётом того, что будущие ускорители станут ещё мощнее, создавая ещё больше частиц.
Для этого нужны квантовые сенсоры SMSPDs. Эти устройства настолько чувствительны, что могут улавливать одиночные частицы — будь то протоны или электроны — с точностью, недоступной обычным детекторам. В отличие от старых технологий, SMSPDs видят частицы одновременно в пространстве и времени, словно камера с суперзумом, которая снимает видео в 4D. Это значит, что учёные могут точно отследить, где и когда каждая частица появилась после столкновения.
Представьте, что вы ищете одного человека в толпе на вокзале. Обычные камеры дадут вам либо чёткое фото, но без движения, либо размытое видео. Квантовые сенсоры — это как камера, которая снимает чёткие кадры каждую секунду, позволяя не упустить ни одной детали. «Мы называем их 4D-сенсорами, потому что они дают нам и точное местоположение, и момент времени», — объясняет Си Се, учёный из Fermilab и Caltech.
SMSPDs — это родственники другой технологии, сверхпроводящих нанопроволочных детекторов (SNSPDs), которые уже используются для передачи данных лазерами из космоса и в экспериментах по квантовому интернету. Но SMSPDs специально созданы для физики частиц: у них большая площадь, чтобы ловить «ливень» заряженных частиц, и они могут работать в условиях, где другие сенсоры теряются. В тестах на Fermilab учёные направили на сенсоры мощные пучки частиц и увидели, что SMSPDs не только улавливают их с высокой эффективностью, но и фиксируют мельчайшие детали, включая частицы с меньшей массой, чем удавалось раньше.
Этот открывает двери для будущих экспериментов на новых, более мощных ускорителях, таких как планируемый Будущий кольцевой коллайдер или мюонный коллайдер. С помощью SMSPDs учёные смогут искать экзотические частицы, которые могут быть частью тёмной материи — загадочного вещества, составляющего около 27% Вселенной, но до сих пор неуловимого. Кроме того, сенсоры помогут лучше понять, как зарождалась Вселенная, и проверить, есть ли в нашей теории физики пробелы.
Интересно, что технология SMSPDs выросла из разработок для других областей. Например, JPL уже использует похожие сенсоры для передачи HD-видео из космоса на Землю с помощью лазеров. А команда Caltech и Fermilab применяет их в экспериментах по квантовому интернету, где информация «телепортируется» на большие расстояния.
Учёные называют это только началом. Они планируют усовершенствовать SMSPDs, чтобы ловить ещё более лёгкие и редкие частицы. «Мы готовимся к будущему, где ускорители станут мощнее, а вопросы — сложнее», — говорит Мария Спиропулу, профессор Caltech. Команда, объединившая экспертов из США, Швейцарии и Венесуэлы, уверена, что квантовые сенсоры станут незаменимым инструментом для следующего поколения физиков.