作者：Amber Rose， 阿贡国家实验室
费米实验室测试光束设施低温恒温器内印刷电路板上安装的 SNSPD 的特写图。该装置用于首次成功演示使用 SNSPD 进行高能质子探测。图片来源：Sangbaek Lee/阿贡国家实验室
粒子探测器在我们理解宇宙的基本构成要素方面发挥着至关重要的作用。它们使科学家能够研究高能碰撞中产生的粒子的行为和特性。这些粒子在大型加速器中被加速到接近光速，然后撞击目标或其他粒子，然后用探测器进行分析。然而，传统的探测器缺乏某些类型的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最近在美国能源部费米国家加速器实验室（Fermilab）的测试光束设施进行的实验中，在高能粒子探测领域取得了重大突破。
他们发现了超导纳米线光子探测器 (SNSPD) 的新用途，这种探测器已经用于探测光子，即光的基本粒子。这些极其灵敏和精确的探测器通过吸收单个光子来工作。吸收会在极低的温度下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（一种保持信息秘密和安全的科学）、先进的光学传感（使用光进行精确测量）和量子计算至关重要。
该研究成果发表在《核仪器与物理研究方法》杂志的《A部分：加速器、光谱仪、探测器和相关设备》上。
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粒子探测器，特别是用于粒子加速器中用作弹丸的高能质子。质子是一种带正电荷的粒子，存在于每个元素的原子核中。
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遇。
阿贡物理学家惠特尼·阿姆斯特朗说：“这是该技术的首次应用。这一步至关重要，因为它证明了该技术能够按照我们想要的方式工作，因为它通常面向光子。这是未来高影响力应用的关键演示。”
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，费米实验室是距离该实验室最近的设施，可以进行这项实验。这些高能质子非常重要，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，从而为了解其能力和局限性提供宝贵的见解。
研究人员发现，小于 400 纳米（人类头发的宽度约为 100,000 纳米）的线宽可实现高能质子传感所需的高检测效率。此外，研究还揭示了此应用的最佳线尺寸约为 250 纳米。
除了灵敏度和精度之外，SNSPD 在强磁场下也能很好地工作，因此非常适合用于加速器中用于提高粒子速度的超导磁体。使用 SNSPD 探测高能质子的能力此前从未被报道过，这一突破扩大了粒子探测应用的范围。
阿贡物理学家托马斯·波拉科维奇说：“这是一次成功的技术转移，从量子科学的光子探测技术转移到实验核物理学。我们对光子传感装置做了些许改动，使其在磁场和粒子中工作得更好。结果，我们看到的粒子和我们预期的完全一样。”
这项研究还证明了该技术在电子离子对撞机 (EIC) 中的可行性。电子离子对撞机是美国能源部布鲁克海文国家实验室正在建造的尖端粒子加速器。EIC 将使电子与质子和原子核（离子）发生碰撞，以更好地观察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 需要灵敏而精确的探测器，而 SNSPD 将成为捕获和分析 EIC 内碰撞产生的粒子的有力工具。
阿贡国家实验室物理学博士后研究员 Sangbaek Lee 表示：“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 探测到的离子能量范围的中间，因此这些测试非常合适。”
研究团队利用了纳米材料中心的反应离子蚀刻工具，该中心是位于阿贡的美国能源部科学办公室用户设施。其他参与这项工作的人员包括 Alan Dibos、Timothy Draher、Nathaniel Pastika、Zein-Eddine Meziani 和 Valentine Novosad。
更多信息： Sangbaek Lee 等人，120 GeV 质子的 SNSPD 束流测试，《物理研究中的核仪器和方法 A 部分：加速器、光谱仪、探测器和相关设备》（2024 年）。DOI ：10.1016/j.nima.2024.169956
由阿贡国家实验室 提供
