近日，由美國能源部費米國家加速器實驗室、加州理工學(xué)院、美國宇航局噴氣推進實驗室、日內(nèi)瓦大學(xué)和智利費德里科·圣瑪麗亞技術(shù)大學(xué)的研究人員組成的團隊，在費米實驗室開展了一項開創(chuàng)性研究，測試超導(dǎo)微線單光子探測器(SMSPD)在粒子物理實驗中的適用性。研究結(jié)果表明，SMSPD 具備高探測效率，有望成為推進粒子物理研究與暗物質(zhì)探測的前沿技術(shù)，標(biāo)志著向開發(fā)下一代粒子物理實驗先進探測器邁出重要一步。

在研究中，團隊利用一系列 SMSPD 探測器，對質(zhì)子、電子和 π 介子等高能粒子的探測效率與時間分辨率進行測量。高效準(zhǔn)確地探測這些粒子，對于深化科學(xué)家對基礎(chǔ)物理的理解意義重大。領(lǐng)導(dǎo)此次研究的費米實驗室科學(xué)家克里斯蒂安·佩尼亞(Cristián Peña)表示：“我們很榮幸參與 SMSPD 這類尖端探測器的研發(fā)，它們或許會在未來環(huán)形對撞機或國際 μ 子對撞機等領(lǐng)域的頂點項目中發(fā)揮關(guān)鍵作用。我們很幸運組建了這支由多機構(gòu)專家組成的世界級團隊，共同推動這項新興研究邁向新高度。”

費米實驗室與多機構(gòu)研究團隊的其他成員開展了一項研究，旨在測試超導(dǎo)微線單光子探測器(SMSPD)在高能粒子探測中的有效性。這項研究代表著在確定SMSPD是否適用于先進探測器方面邁出了重要一步。圖中前排(從左至右)：Cristián Peña、Artur Apresyan、Si Xie;中排：Carlos Perez、Christina Wang、Adi Bornheim;后排：Aram、Matias Barria、Valentina Vega、Claudio San Martin。圖片來源：Cristián Peña，費米實驗室

傳統(tǒng)粒子探測器雖有效，但在靈敏度、空間分辨率和時間分辨率方面存在局限，而這些特性是精確探測粒子的關(guān)鍵。為滿足對更精確粒子探測器的需求，研究人員開始探索新的傳感材料與技術(shù)。

此次研究的 SMPSD 陣列由噴氣推進實驗室(JPL)設(shè)計和制造，是高性能超導(dǎo)納米線單光子探測器(SNSPD)的變體。二者工作原理相似，均以一層超導(dǎo)材料薄膜(本例中為 3 納米厚的硅化鎢)為核心，將其圖案化成 1.5 微米寬的導(dǎo)線，覆蓋可檢測帶電粒子沉積能量信號的有效區(qū)域。研究人員施加略低于超導(dǎo)導(dǎo)線最大承受電流的偏置電流，當(dāng)帶電粒子沉積能量足以破壞超導(dǎo)性時，偏置電流從導(dǎo)線轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生可檢測的電脈沖。

左圖：超導(dǎo)微線單光子探測器(SMSPD)封裝在一個暗箱中，以減少非光束產(chǎn)生的背景光子。探測器連接到低溫冷卻器的冷卻級，使溫度保持在極低水平，約為 0.8 開爾文。光束從中心的孔進入。右圖：正在研究的 SMSPD，以小的深紫色區(qū)域表示。圖片來源：克里斯蒂娜·王，費米實驗室

SNSPD 因超低能量閾值和卓越時間分辨率，在量子信息科學(xué)和太空探索等領(lǐng)域已發(fā)揮重要作用。例如，JPL 將其用于太空光通信，費米實驗室則應(yīng)用于量子網(wǎng)絡(luò)、暗物質(zhì)研究和天體物理應(yīng)用。然而，在粒子物理學(xué)領(lǐng)域，受限于有效探測面積較小且缺乏粒子束研究，其應(yīng)用受限。

與之相比，SMSPD 的有效檢測面積大幅超越納米線探測器，為粒子物理實驗所需的大型粒子探測器發(fā)展帶來新契機。

研究團隊報告，在不同探測區(qū)域和偏置電流條件下，SMSPD 均展現(xiàn)出一致的探測效率。費米實驗室測試光束裝置安裝的硅跟蹤望遠(yuǎn)鏡，為精確測量探測效率提供了至關(guān)重要的空間分辨率。此外，研究人員首次測量了此類帶電粒子的時間分辨率，這對下一代基于加速器的實驗中精確追蹤粒子意義重大。

費米實驗室測試光束裝置中正在研究的超導(dǎo)微線單光子探測器實驗裝置的示意圖(上)和照片(下)，圖中標(biāo)明了粒子束線上的儀器。一臺硅跟蹤望遠(yuǎn)鏡跟蹤每個入射粒子的位置。SMSPD 位于望遠(yuǎn)鏡一側(cè)的六個條形模塊和另一側(cè)的四個像素以及另外六個條形模塊之間，這些模塊盡可能靠近低溫恒溫器。圖片來源：克里斯蒂娜·王，費米實驗室

論文合著者、費米實驗室科學(xué)家兼加州理工學(xué)院研究科學(xué)家謝思表示：“這是開發(fā)未來粒子物理實驗先進探測器的重要一步，才剛剛起步。我們有望探測到比以往更低質(zhì)量的粒子，以及可能構(gòu)成暗物質(zhì)的奇異粒子。”

目前，研究團隊已著手進一步改進 SMSPD 陣列及其他類似技術(shù)。費米實驗室萊德曼研究員、本研究合著者克里斯蒂娜·王(Christina Wang)稱：“我們正優(yōu)化 SMSPD 陣列，使其適用于高能粒子探測，提升時間分辨率和探測效率，以應(yīng)用于下一代基于加速器的實驗。后續(xù)將持續(xù)以更高精度測試這些優(yōu)化后的陣列。”她還透露，團隊計劃在未來實驗中探索在基于加速器的實驗里使用 SMSPD 陣列，通過表征其在高輻射和高粒子占有率環(huán)境中的有效運行能力，為將這項有前景的技術(shù)整合到未來粒子探測器中，助力發(fā)現(xiàn)新物理現(xiàn)象奠定關(guān)鍵基礎(chǔ)。

該項研究發(fā)表于《儀器儀表雜志》，題為“利用大面積超導(dǎo)微線陣列進行高能粒子檢測”，由美國能源部、費米國家加速器實驗室、智利國家研究與發(fā)展機構(gòu)(ANID)和費德里科·圣瑪麗亞技術(shù)大學(xué)資助。