اخبار کوانتومی – از فوتون‌ها تا پروتون‌ها: تیم Argonne در تشخیص ذرات پرانرژی به موفقیت مهمی دست یافته‌است
عنوان خبر: از فوتون‌ها تا پروتون‌ها: تیم Argonne در تشخیص ذرات پرانرژی به موفقیت مهمی دست یافته‌است
ژانر/موضوع: فیزیک ذرات، اپتیک کوانتومی
تاریخ انتشار خبر: 11 فوریه 2025
لینک خبر: anl.gov
چکیده:
فیزیک‌دانان آزمایشگاه ملی آرگون با تطبیق‌دهی آشکارسازهای فوتون نانوسیمی ابررسانا (SNSPDs) برای شناسایی پروتون‌های با انرژی بالا، به یک پیشرفت در زمینه شناسایی ذرات دست یافتند. این آشکارسازها که به طور سنتی برای شناسایی فوتون‌ها استفاده می‌شوند، با شناسایی فوتون‌های منفرد از طریق تغییرات الکتریکی در نانوسیمهای ابررسانا عمل می‌کنند.در آزمایش‌هایی در Fermilab، تیم تحقیقاتی SNSPDها با اندازه‌های مختلف سیم را با استفاده از پرتو پروتون 120 GeV آزمایش کردند و کشف کردند که عرض سیم‌های کمتر از 400 نانومتر کارآیی شناسایی بالایی دارند و عرض 250 نانومتر بهینه‌ترین است.این SNSPDها که در میدان‌های مغناطیسی بالا به خوبی عمل می‌کنند، برای محیط‌های شتاب‌دهنده مناسب هستند. این توسعه تأثیرات زیادی برای آزمایشات آینده مانند برخورددهنده الکترون-یون(EIC) دارد که قرار است برخوردهای پروتون و هسته‌های اتمی را مطالعه کند.
شرح کامل خبر:
فیزیک‌دانان آزمایشگاه ملی آرگون با تطبیق‌دهی آشکارسازهای فوتون نانولوله‌ای ابررسانا (SNSPDs)، که ابتدا برای شناسایی فوتون‌ها توسعه یافته بودند، در شناسایی ذرات با انرژی بالا، به ویژه پروتون‌ها، پیشرفتی چشمگیری داشته‌اند. این کار که در تأسیسات آزمایش پرتو Fermilab انجام شد، دستاوردی پیشگامانه در فناوری شناسایی ذرات است و امکانات جدیدی برای آزمایشات فیزیک ذرات با انرژی بالا و کاربردهای آن‌ها در تأسیسات مانند برخورددهنده الکترون-یون یا Electron-Ion Collider (EIC) فراهم می‌کند.
SNSPDها دستگاه‌های بسیار حساس هستند که به طور سنتی در اپتیک کوانتومی برای شناسایی فوتون‌های منفرد استفاده می‌شوند. این دستگاه‌ها با شناسایی جذب فوتون‌ها در نانوسیمهای ابررسانا عمل می‌کنند که منجر به تغییرات الکتریکی کوچکی می‌شود که می‌توان آن‌ها را به دقت اندازه‌گیری کرد. این آشکارسازها در زمینه‌هایی مانند رمزنگاری کوانتومی، حسگری نوری و محاسبات کوانتومی نقش حیاتی دارند. با این حال، نوآوری اخیر پتانسیل این آشکارسازها را فراتر از شناسایی فوتون‌ها به شناسایی پروتون‌های با انرژی بالا گسترش داده است، که در مطالعه فیزیک هسته‌ای و ذرات بسیار ضروری هستند.
در بررسی‌های خود، محققان از SNSPDهایی با اندازه‌های مختلف سیم استفاده کرده و آن‌ها را با پرتو پروتون 120 GeV در Fermilab ،که تأسیسات آن برای برخورد با این ذرات با انرژی بالا آماده است، آزمایش کردند. پروتون‌ها که در هسته‌های اتمی تمامی عناصر یافت می‌شوند، دارای بار مثبت هستند و به طور معمول به عنوان پرتابه (projectiles) در شتاب‌دهنده‌های ذرات استفاده می‌شوند. تیم تحقیقاتی دریافت که SNSPDهایی با عرض سیم کمتر از 400 نانومتر کارآیی شناسایی بالایی دارند و عرض سیم بهینه تقریباً 250 نانومتر برای شناسایی پروتون‌ها مؤثرترین است. این نتیجه نشان می‌دهد که SNSPDها، که معمولاً برای شناسایی فوتون‌ها طراحی می‌شوند، می‌توانند به طور دقیق برای اندازه‌گیری پروتون‌های با انرژی بالا تنظیم شوند.
ویژگی مهم دیگر SNSPDها عملکرد آن‌ها در میدان‌های مغناطیسی بالا است که در شتاب‌دهنده‌های ذرات که در آن‌ها از آهنرباهای ابررسانا برای شتاب‌دهی ذرات تا سرعت‌های نزدیک به سرعت نور استفاده می‌شود، معمول است. توانایی عملکرد SNSPDها در چنین محیط‌هایی آن‌ها را به کاندید ایده‌آلی برای آشکارسازهای ذرات آینده تبدیل می‌کند، به ویژه در آزمایشاتی که درک برخوردهای ذرات در انرژی‌های بالا ضروری است.
نتایج این مطالعه پیامدهای مهمی برای برخورددهنده الکترون-یون (EIC) که در حال ساخت در آزمایشگاه ملی Brookhaven است، دارد. EIC الکترون‌ها را با پروتون‌ها و هسته‌های اتمی برخورد می‌دهد تا ساختار داخلی پروتون‌ها و ذرات دیگر را در سطح زیراتمی بررسی کند. SNSPDها قرار است نقشی حیاتی در شناسایی و تحلیل ذرات تولید شده در این برخوردها ایفا کنند، زیرا می‌توانند حساسیت و دقت مورد نیاز برای چنین تحقیقاتی را فراهم کنند.
از نظر جزئیات فنی، تیم تحقیقاتی آشکارسازهای نیترید نیوبیم (NbN) SNSPD را با عرض سیم‌های مختلف ساخته و آن‌ها را در دمای 2.82 K آزمایش کردند. تیم تحقیقات با انجام اسکن‌های جریان بایاس، کارآیی شناسایی نسبی هر دستگاه را اندازه‌گیری کرد. نتایج نشان داد که عرض سیم عامل بحرانی در تعیین کارآیی شناسایی پروتون‌ها است. به طور خاص، عرض‌های بزرگتر سیم (بیشتر از 400 نانومتر) منجر به ناکارآمدی در جریان‌های بایاس پایین شدند، که می‌تواند اثر بخشی آن‌ها را برای کاربردهای خاص تضعیف کند.
این پیشرفت در تطبیق SNSPDها برای شناسایی پروتون‌ها، انتقال موفق فناوری از علم کوانتوم، جایی که SNSPDها قبلاً به طور گسترده برای شناسایی فوتون‌ها استفاده می‌شدند، به حوزه فیزیک هسته‌ای تجربی را نمایان می‌سازد. به گفته فیزیک‌دان آرگون، تاماس پولاکوویچ، تغییرات جزئی در دستگاه این امکان را فراهم کرد که آن را به طور مؤثر در میدان‌های مغناطیسی و برای شناسایی ذرات به کار رود.
توسعه SNSPDها به عنوان آشکارسازهای ذرات با انرژی بالا گامی مهم در جهت دستیابی به آشکارسازهای حساس‌تر، دقیق‌تر و چندمنظوره‌تر است. با نشان دادن توانایی آن‌ها در شناسایی پروتون‌ها و انطباق آن‌ها با محیط‌های شتاب‌دهنده، SNSPDها نویدبخش پیشرفت‌های چشمگیری در تحقیقات فیزیک ذرات به ویژه در زمینه‌هایی هستند که نیاز به اندازه‌گیری‌های دقیق رفتار ذرات در انرژی‌های بسیار بالا دارند.
منابع:
[1] https://www.anl.gov/article/from-photons-to-protons-argonne-team-makes-breakthrough-in-highenergy-particle-detection
[2] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168900224008829?via%3Dihub
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
