費米實驗室測試光束設施低溫恒溫器內印刷電路板上安裝的 SNSPD 的特寫圖。該裝置用于首次成功演示使用 SNSPD 進行高能質子探測。(圖片由 Sangbaek Lee/阿貢國家實驗室提供。)

粒子探測器在探索宇宙基本構成要素方面扮演著至關重要的角色，它們能夠研究高能碰撞中產生的粒子的行為和特性。然而，傳統的探測器在靈敏度和精度方面存在局限，難以滿足某些類型研究的需要。近日，美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室的研究人員在美國能源部費米國家加速器實驗室(Fermilab)的測試光束設施中取得了高能粒子探測領域的重大突破。

研究團隊發現了超導納米線光子探測器(SNSPD)的新用途。這種探測器原本用于探測光子，即光的基本粒子，通過吸收單個光子來工作，并在極低的溫度下在超導納米線中產生微小的電變化，從而檢測和測量光子。SNSPD因其極高的靈敏度和精確性，在量子密碼學、先進的光學傳感和量子計算等領域發揮著關鍵作用。

在這項研究中，研究小組發現這些光子傳感器也可能用作高精度粒子探測器，特別是用于粒子加速器中作為彈丸的高能質子。質子存在于每個元素的原子核中，是一種帶正電荷的粒子。阿貢物理學家惠特尼·阿姆斯特朗表示，這是SNSPD技術的首次此類應用，它證明了該技術能夠按照預期方式工作，為未來高影響力應用提供了關鍵演示。

研究團隊制作了不同線徑的SNSPD，并在費米實驗室用120 GeV質子束對其進行了測試。他們發現，小于400納米(人類頭發的寬度約為100,000納米)的線寬可實現高能質子傳感所需的高檢測效率，而最佳線徑約為250納米。此外，SNSPD在強磁場下也能很好地工作，非常適合用于加速器中用于提高粒子速度的超導磁體。

阿貢物理學家托馬斯·波拉科維奇指出，這是一次成功的技術轉移，從光子探測到量子科學，再到實驗核物理。研究團隊對光子傳感裝置進行了改進，使其在磁場和粒子中更好地發揮作用，結果與預期完全一致。

這項研究還證明了SNSPD在電子離子對撞機(EIC)中的應用可行性。EIC是能源部布魯克海文國家實驗室正在建造的尖端粒子加速器，將使電子與質子和原子核(離子)發生碰撞，以更好地觀察這些粒子的內部結構。EIC需要靈敏而精確的探測器，而SNSPD將成為捕獲和分析EIC內碰撞產生的粒子的有力工具。

阿貢國家實驗室物理學博士后研究員Sangbaek Lee表示，他們在費米實驗室測試的質子能量范圍正好位于EIC將探測到的離子能量范圍的中間，因此這些測試非常合適。

該研究得到了美國能源部科學辦公室核物理辦公室的資助，并發表在《物理學研究A部分中的核儀器和方法》上。除了阿貢國家實驗室的研究人員外，其他貢獻者還包括Alan Dibos、Timothy Draher、Nathaniel Pastika、Zein-Eddine Meziani和Valentine Novosad。