次世代の粒子物理実験でテストされた量子センサー

インサイダーブリーフ

• Fermilab、Caltech、JPL、およびInternational Partnersの研究者チームは、高エネルギー粒子検出のための超伝導マイクロワイヤー単光子検出器（SMSPD）と呼ばれる量子センサーのテストに成功しました。
• SMSPDは、フェルミラブの陽子、電子、およびパイオンのビームにさらされたときに高効率と空間的および時間分解能を改善し、将来の高強度粒子コリダーに適しています。
• 従来のセンサーとは異なり、SMSPDは、新しい粒子と暗黒物質の次世代検索をサポートする4つの寸法（スペースと時間）で精度のある荷電粒子を検出できます。
• 画像：SMSPDは、一度に単一粒子を正確に検出できます。検出器はJPLで設計および製造され、INQNET-Caltech Labsで委託されました。 （クリスティアン・ペーニャ、フェルミラブ）

プレスリリース – 物質、エネルギー、空間、時間の性質について詳しく学ぶために、物理学者は大規模な加速器機で高エネルギー粒子を一緒に粉砕し、さまざまな質量と速度の1秒あたり数百万の粒子のスプレーを作成します。衝突はまた、標準モデルによって予測されないまったく新しい粒子を生成する可能性があります。これは、私たちの宇宙の基本粒子と力の一般的な理論です。より強力な粒子加速器を作成する計画が進行中であり、その衝突はさらに大きな原子嵐を解き放つでしょう。研究者はどのように混乱をふるいにかけますか？

答えは量子センサーにあるかもしれません。米国エネルギー省のフェルミ国立加速器研究所（フェルミラブ）、カルテック、NASAのジェット推進研究所（CalTechが管理する）、およびその他の協力機関の研究者は、量子センサーの出力を活用する新しいエネルギー粒子検出機器アプローチを開発しました。

「今後20〜30年で、粒子コリダーがエネルギーと強度がより強力になるにつれて、パラダイムシフトが見られます」と言います。 マリア・スピロプル、カリフォルニアのシャン・イー・チェン物理学教授。 「それは、より正確な検出器が必要であることを意味します。これが、今日の量子技術を開発している理由です。新しい粒子と暗黒物質の次世代検索を最適化し、空間と時間の起源を研究するために、ツールボックスに量子センシングを含めたいと考えています。」

の報告 Journal of Instrumentationジュネーブ大学とチリのフェデリコサンタマリア工科大学の協力者も含まれている研究チームは、シカゴ近くのフェルミラブで初めて、超伝導マイクロワイヤーシングルフォトン検出器（SMSPD）と呼ばれる新しい技術をテストしました。彼らは、量子センサーをプロトン、電子、およびパイオンの高エネルギービームにさらし、センサーが従来の検出器と比較して時間と空間分解能で粒子を検出するのに非常に効率的であることを実証しました。

これは、将来の粒子物理学実験のための高度な検出器の開発に向けた重要なステップです、と、研究科学者としてCaltechで共同で任命されたFermilabの科学者である共著者Si Xie氏は言います。 「これはほんの始まりです」と彼は言います。 「私たちは、以前よりも質量が低い粒子や、暗黒物質を構成する可能性のあるエキゾチックな粒子を検出する可能性があります。」

この研究で使用されている量子センサーは、関連するセンサーファミリー（超伝導ナノワイヤ単一光子検出器、またはSNSPDと呼ばれる）に似ており、これは量子ネットワークおよび天文学実験にアプリケーションを備えています。たとえば、これらのセンサーの設計と製造における世界トップの専門家の1人であるJPLの研究者は、Deep Space Optical Communications Experimentでそれらを最近使用しました。 空間から地面に高解像度データを送信します。

Spiropulu、Xie、およびFermilab、Caltech、およびJPLの他の科学者は、量子ネットワーキング実験でSNSPDセンサーも使用しており、そこでは長距離で情報をテレポートしました。これは、将来の量子インターネットの開発における重要なステップです。そのプログラムは、呼び出されました インテリジェントな量子ネットワークとテクノロジー （inqnet）、2017年にCaltechとAT＆Tが共同設立しました。

粒子物理学テストでは、研究者は粒子のスプレーを収集するためのより大きな表面積があるため、SNSPDではなくSMSPDを使用しました。彼らはセンサーを使用して、荷電粒子を初めて検出しました。これは、量子ネットワークや天文学アプリケーションには必要ないが、粒子物理学実験に不可欠です。 「この研究の斬新さは、センサーが荷電粒子を効率的に検出できることを証明したことです」とXie氏は言います。

SMSPDセンサーは、空間と時間の両方で粒子をより正確に検出することもできます。 「私たちはそれらを4Dセンサーと呼んでいます。なぜなら、彼らは一度により良い空間分解能と時間分解能を達成できるからです」とXie氏は言います。 「通常、粒子物理学の実験では、より正確な時間または空間分解能を同時に行わないようにセンサーを調整する必要があります。」

研究者が高速衝突から飛び出す粒子の束を分析するとき、彼らは空間と時間の経路を正確に追跡できるようにしたいと考えています。アナロジーとして、セキュリティ画像を使用して、さまざまな列車からグランドセントラルステーションにあふれている群衆の中に隠れている疑わしい人を追跡したいと思います。画像に個人を追跡するのに十分な空間解像度が必要です。しかし、あなたはあなたがあなたの興味のある人を捕まえることを確実にするのに十分な時間解決を望んでいるでしょう。 10秒ごとに撮影した画像しか取得できない場合は、その人を見逃す可能性がありますが、毎秒キャプチャされた写真がある場合は、より良いオッズがあります。

「これらの衝突では、毎秒数百万のイベントのパフォーマンスを追跡したいと思うかもしれません」とSpiropulu氏は言います。 「あなたは何百もの相互作用に圧倒されており、精度との主要な相互作用を見つけるのは難しい場合があります。1980年代には、空間座標が十分であることで十分だと思いましたが、粒子の衝突がより強くなり、より多くの粒子を生成するにつれて、時間を追跡する必要があります。」

「SMSPDのように最先端の検出器のR＆Dに取り組むことに非常に興奮しています。 将来の円形コリダー または、ミューオンのコライダーは、フェルミラブの科学者であり、カルテックの卒業生であるクリスティアン・ペーニャ（博士号’17）は、研究を主導したと言います。 「そして、この新たな研究を次のレベルに押し上げるために、いくつかの機関で世界クラスのチームを集めたことに興奮しています。」

「タイトル」という研究大きな領域の超伝導マイクロワイヤーアレイを使用した高エネルギー粒子検出」は、チリの国立研究開発庁（ANID）、フェルミラブ、フェルミラブ、フェルミラブ、フェデリコサンタマリア工科大学によって資金提供されました。 Korzh（現在はジュネーブ大学の教授）、ジェイミー・ラスキン、マシュー・ショー。