Close-up weergave van een SNSPD gemonteerd op een gedrukte printplaat in de cryostat bij de Fermilab Test Beam-faciliteit. Dit apparaat werd gebruikt bij de eerste succesvolle demonstratie van hoge energie-protondetectie met behulp van SNSPD’s. Credit: Sangbaek Lee/Argonne National Laboratory
Deeltjesdetectoren spelen een cruciale rol in ons begrip van de fundamentele bouwstenen van het universum. Ze stellen wetenschappers in staat om het gedrag en de eigenschappen van de deeltjes te bestuderen die worden geproduceerd in botsingen met hoge energie. Dergelijke deeltjes worden gestimuleerd tot bijna de snelheid van het licht in grote versnellers en vervolgens in doelen of andere deeltjes geslagen waar ze vervolgens worden geanalyseerd met detectoren. Traditionele detectoren missen echter de benodigde gevoeligheid en precisie voor bepaalde soorten onderzoek.
Onderzoekers van het Amerikaanse Department of Energy’s (DOE) Argonne National Laboratory hebben een aanzienlijke doorbraak gemaakt op het gebied van hoge energie-deeltjesdetectie in recente experimenten uitgevoerd in de testbundelfaciliteit bij DOE’s Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab).
Ze hebben een nieuw gebruik gevonden voor de supergeleidende nanowire fotonendetectoren (SNSPD’s) die al zijn gebruikt voor het detecteren van fotonen, de fundamentele lichtdeeltjes. Deze ongelooflijk gevoelige en precieze detectoren werken door individuele fotonen te absorberen. De absorptie genereert kleine elektrische veranderingen in de supergeleidende nanodraden bij zeer lage temperaturen, waardoor de detectie en meting van fotonen mogelijk is. Gespecialiseerde apparaten die in staat zijn om individuele fotonen te detecteren, zijn cruciaal voor kwantumcryptografie (de wetenschap van het geheim en veilig houden van informatie), geavanceerde optische detectie (precisiemeting met behulp van licht) en kwantum computing.
Het werk is gepubliceerd in het dagboek Nucleaire instrumenten en methoden in Sectie A -onderzoeksonderzoek A: versnellers, spectrometers, detectoren en bijbehorende apparatuur.
In deze studie ontdekte het onderzoeksteam dat deze fotonsensoren mogelijk ook kunnen functioneren als zeer nauwkeurige deeltjesdetectoren, met name voor hoge energietonningen die als projectielen in deeltjesversnellers worden gebruikt. Gevonden in de atoomkern van elk element, is het proton een deeltje met een positieve elektrische lading.
De doorbraak van het team opent opwindende kansen op het gebied van nucleaire en deeltjesfysica.
“Dit was een eerste gebruik van de technologie”, zei Argonne-fysicus Whitney Armstrong. “Deze stap was van cruciaal belang om aan te tonen dat de technologie werkt zoals we willen, omdat het meestal is gericht op fotonen. Het was een belangrijke demonstratie voor toekomstige high-impact applicaties.”
Het team maakte SNSPD’s met verschillende draadgroottes en testte ze met een straal van 120 GEV -protonen bij Fermilab, die de dichtstbijzijnde faciliteit was die was uitgerust om dit experiment uit te voeren. Deze energierijke protonen zijn belangrijk omdat ze onderzoekers in staat stellen de omstandigheden te simuleren en te bestuderen waaronder SNSPD’s kunnen werken in experimenten met een energieke fysica, wat waardevolle inzichten biedt in hun mogelijkheden en beperkingen.
De onderzoekers ontdekten dat draadbreedtes kleiner dan 400 nanometers-de breedte van een menselijk haar is ongeveer 100.000 nanometer-demonstreerden de hoge detectie-efficiëntie die nodig is voor hoge energie-detectie. Verder onthulde de studie ook een optimale draadgrootte van ongeveer 250 nanometer voor deze toepassing.
Naast hun gevoeligheid en precisie werken SNSPD’s ook goed onder hoge magnetische velden, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik in de supergeleidende magneten die in versnellers worden gebruikt om deeltjessnelheid te stimuleren. Het vermogen om hoge energie-protonen met SNSPD’s te detecteren is nog nooit eerder gerapporteerd en deze doorbraak verbreedt de reikwijdte van deeltjesdetectietoepassingen.
“Dit was een succesvolle technologieoverdracht tussen kwantumwetenschappen, voor fotonendetectie, naar experimentele nucleaire fysica”, aldus Argonne -fysicus Tomas Polakovic. “We namen het foton-sensing-apparaat en hebben lichte wijzigingen aangebracht om het beter te laten werken in magnetische velden en voor deeltjes. En zie, we zagen de deeltjes precies zoals we hadden verwacht.”
Dit werk toont ook de haalbaarheid van de technologie voor gebruik in de elektron-ion Collider (EIC), een geavanceerde deeltjesversnellerfaciliteit die wordt gebouwd in het nationale laboratorium van DOE. De EIC zal elektronen botsen met protonen en atoomkernen (ionen) om de interne structuur van die deeltjes beter te bekijken, inclusief de quarks en gluonen die de protonen en neutronen van kernen vormen.
De EIC vereist gevoelige en precieze detectoren en SNSPD’s zullen waardevolle hulpmiddelen zijn voor het vastleggen en analyseren van de resulterende deeltjes geproduceerd in botsingen binnen de EIC.
“Het proton-energiebereik dat we bij Fermilab hebben getest, bevindt zich midden in de spanwijdte van het energiebereik van de Ion die we zullen detecteren bij EIC, dus deze tests waren goed geschikt,” zei Sangbaek Lee, een postdoctorale aangestelde natuurkunde bij Argonne.
Het onderzoeksteam maakte gebruik van de reactieve ionenetgereedschap in het Center for Nanoschale Materials, een DOE Office of Science -gebruikersfaciliteit bij Argonne. Andere bijdragers aan dit werk zijn Alan Dibos, Timothy Draher, Nathaniel Pastika, Zein-Eddine Meziani en Valentine Novosad.
Meer informatie:
Sangbaek Lee et al, bundeltests van SNSPD’s met 120 GeV -protonen, Nucleaire instrumenten en methoden in Sectie A -onderzoeksonderzoek A: versnellers, spectrometers, detectoren en bijbehorende apparatuur (2024). Doi: 10.1016/j.nima.2024.169956
Verstrekt door Argonne National Laboratory
