Розроблено квантові сенсори, які бачать «невидиме»

Вчені з Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech), Національної прискорювальної лабораторії Фермі (Fermilab) та Лабораторії реактивного руху NASA (JPL) розробили та успішно випробували квантові сенсори — надчутливі пристрої, здатні вловлювати одиночні частинки з неймовірною точністю. Ці сенсори, названі надпровідними мікродротяними детекторами одиночних фотонів (SMSPDs), протестували на потужних пучках частинок Fermilab, і результати перевершили всі очікування.

Фізики вивчають природу матерії, енергії, простору та часу, зіштовхуючи частки на величезних швидкостях у гігантських прискорювачах, таких як Великий адронний колайдер. Ці зіткнення створюють справжні «шторми» з мільйонів частинок, що летять із різною швидкістю та масою. Іноді в цьому хаосі з’являються нові частки, яких не передбачає Стандартна модель — наша головна теорія про те, з чого складається Всесвіт. Але як упіймати ці рідкісні частки серед мільярдів інших? Традиційні детектори вже не справляються з таким завданням, особливо з урахуванням того, що майбутні прискорювачі стануть ще потужнішими, створюючи ще більше частинок.

Для цього потрібні квантові рецептори SMSPDs. Ці пристрої настільки чутливі, що можуть вловлювати одиночні частинки — протони або електрони — з точністю, недоступною звичайним детекторам. На відміну від старих технологій, SMSPDs бачать частки одночасно у просторі та часі, наче камера із суперзумом, яка знімає відео у 4D. Це означає, що вчені можуть точно відстежити, де і коли кожна частка з’явилася після зіткнення.

Уявіть, що ви шукаєте одну людину в юрбі на вокзалі. Звичайні камери дадуть вам точне фото, але без руху, або розмите відео. Квантові сенсори — це як камера, яка знімає чіткі кадри кожну секунду, дозволяючи не упустити жодної деталі. «Ми називаємо їх 4D-сенсорами, тому що вони дають нам і точне місце розташування, і момент часу», — пояснює Сі Се, вчений з Fermilab і Caltech.

SMSPDs — це родичі іншої технології, надпровідних нанодротяних детекторів (SNSPDs), які вже використовуються для передачі лазерами з космосу і в експериментах квантовим інтернетом. Але SMSPDs спеціально створені для фізики частинок: вони мають велику площу, щоб ловити «зливу» заряджених частинок, і вони можуть працювати в умовах, де інші сенсори губляться. У тестах на Fermilab вчені направили на рецептори потужні пучки частинок і побачили, що SMSPDs не тільки вловлюють їх з високою ефективністю, але й фіксують найдрібніші деталі, включаючи частинки з меншою масою, ніж вдавалося раніше.

Цей відкриває двері для майбутніх експериментів на нових, потужніших прискорювачах, таких як планований Майбутній кільцевий колайдер або мюонний колайдер. За допомогою SMSPDs вчені зможуть шукати екзотичні частки, які можуть бути частиною темної матерії — загадкової речовини, що становить близько 27% Всесвіту, але досі невловимого. Крім того, сенсори допоможуть краще зрозуміти, як зароджувався Всесвіт, і перевірити, чи є в нашій теорії фізики прогалини.

Цікаво, що технологія SMSPD виросла з розробок для інших областей. Наприклад, JPL вже використовує схожі сенсори передачі HD-відео з космосу на Землю з допомогою лазерів. А команда Caltech і Fermilab застосовує їх в експериментах квантового інтернету, де інформація «телепортується» на великі відстані.

Вчені називають це лише початком. Вони планують удосконалити SMSPDs, щоб ловити ще легші та рідкісні частинки. «Ми готуємося до майбутнього, де прискорювачі стануть потужнішими, а питання складнішими», — каже Марія Спіропулу, професор Caltech. Команда, яка об’єднала експертів із США, Швейцарії та Венесуели, впевнена, що квантові сенсори стануть незамінним інструментом для наступного покоління фізиків.