چگونه حسگرهای کوانتومی دقت ردیابی ذرات را به اوج می‌رسانند؟
فیزیک‌دانان از قابلیت‌های شگفت‌انگیز حسگرهای کوانتومی بهره می‌برند تا شناسایی ذرات را در نسل جدید آزمایش‌های پرانرژی دگرگون کنند.
این آشکارسازهای ابررسانا تنها وضوح مکانی تیزتری ارائه نمی‌دهند، بلکه می‌توانند رویدادها را در زمان نیز ردیابی کنند؛ ویژگی‌ای که برای رمزگشایی از برخوردهای آشفته ذرات ضروری است.
🔗 بیشتر بخوانید: نیروی ۱۰ فیل در یک پروتون قرار دارد_آینده
گشودن قفل‌های جهان با شتاب‌دهنده‌های ذرات
برای درک ماهیت بنیادین ماده، انرژی، فضا و زمان، دانشمندان از ماشین‌های قدرتمندی به نام شتاب‌دهنده‌های ذرات استفاده می‌کنند. این دستگاه‌ها ذرات پرانرژی را به یکدیگر می‌کوبند و هر ثانیه انفجاری از میلیون‌ها ذره تازه با جرم‌ها و شدت‌های گوناگون ایجاد می‌شود. گاهی اوقات این برخوردها ذراتی را به وجود می‌آورند که در مدل استاندارد، نظریه برپایه‌ای که اجزای اولیه جهان را تشریح می‌کند، جایگاهی ندارند.
اکنون محققان قصد دارند شتاب‌دهنده‌های پرقدرت‌تری بسازند که قادر به ایجاد برخوردهای شدیدتر باشند. اما در میان این پیچیدگی، دانشمندان چگونه می‌توانند از درهم‌ریختگی زیراتمی عبور کنند؟
🔗 بیشتر بخوانید: دانشمندان به گمان زیاد علت میگرن را کشف کرده‌اند/ چطور می‌توان یک بار برای همیشه به میگرن آخر داد؟_آینده
حسگرهای کوانتومی ابررسانای میکروسیم: پیشرفتی در دقت
کلید موفقیت در حسگرهای کوانتومی نهفته است. محققان در آزمایشگاه ملی فرمیلاب وزارت انرژی ایالات متحده، کالتک، آزمایشگاه پیشرو جت ناسا (JPL) و موسسات دیگر، نوع جدیدی از سیستم‌های آشکارسازی ذرات را توسعه می‌دهند که از حسگرهای کوانتومی بهره می‌برند. این دستگاه‌های فوق‌حساس قادرند ذرات منفرد را با دقت بالا تشخیص دهند.
به گزارش scitechdaily، ماریا اسپیروپولو، استاد فیزیک شانگ-یی چن در کالتک، می‌گوید: «در ۲۰ تا ۳۰ سال آینده شاهد تحول الگوی برخورددهنده‌های ذرات خواهیم بود، چرا که از نظر انرژی و شدت قدرتمندتر خواهند شد؛ و این بدان معناست که به آشکارسازهای دقیق‌تری نیاز داریم. به همین دلیل اکنون فناوری کوانتومی را گسترش می‌دهیم. ما می‌خواهیم حسگری کوانتومی را به جعبه‌ابزار خود بیفزاییم تا جستجوی نسل بعد برای ذرات و ماده تاریک تازه را بهینه کنیم و منشأ فضا و زمان را مطالعہ کنیم.»
🔗 بیشتر بخوانید: بلایی که افتاین ویتامین سر پوست کودکان می‌آورد_آینده
اولین آزمایش عملی حسگرهای کوانتومی
در مجله Journal of Instrumentation، تیم تحقیقاتی شامل همکارانی از ژنو و دانشگاه فدریکو سانتا ماریا شیلی، برای اولین بار از فناوری نوین خود به نام «آشکارسازهای فوتون منفرد ابررسانای میکروسیم» (SMSPDs) در فرمیلاب نزدیک شیکاگو استفاده کرد. آن‌ها حسگرهای کوانتومی را در معرض پرتوهای پرانرژی پروتون، الکترون و پایون قرار دادند و نشان دادند که این حسگرها به طور مؤثری ذرات را با وضوح زمانی و مکانی بهبودیافته نسبت به آشکارسازهای سنتی شناسایی می‌کنند.
این یک گام مهم به سوی گسترش آشکارسازهای پیشرفته برای آزمایش‌های فیزیک ذرات آینده است. سی شی، دانشمند فرمیلاب که در کالتک نیز بعنوان پژوهشگر فعال است، می‌گوید: «این تنها آغاز است. ما می‌توانیم ذراتی با جرم کمتر از پیش و حتی ذرات غریب همانند آن‌هایی که ماده تاریک را می‌توانند راه‌اندازی کنند، تشخیص دهیم.»
ریشه‌ها در نجوم و شبکه‌های کوانتومی
حسگرهای کوانتومی مورد استفاده در این مطالعه شبیه خانواده‌ای از حسگرها (به نام آشکارسازهای فوتون منفرد ابررسانای نانوسیم یا SNSPDs) هستند که در شبکه‌های کوانتومی و آزمایش‌های نجومی کاربرد دارند. به عنوان مثال، محققان JPL که از پیشگامان جهانی طراحی و ساخت این حسگرها محسوب می‌شوند، اخیراً از آن‌ها در آزمایش Deep Space Optical Communications بهره برده‌اند، نمایشی فناوری که از لیزرها برای انتقال داده‌های باکیفیت بالا از فضا به زمین استفاده می‌کند.
اسپیروپولو، شی و سایر دانشمندان فرمیلاب، کالتک و JPL نیز از حسگرهای SNSPD در آزمایش‌های شبکه کوانتومی استفاده کرده‌اند که در آن اطلاعات در فواصل طولانی تلپورت می‌شوند — گامی مهم در گسترش اینترنت کوانتومی آینده. این برنامه، که INQNET نام دارد، در سال ۲۰۱۷ به طور مشترک توسط کالتک و AT&T تأسیس شد.
قدرت‌های تازه برای فیزیک ذرات
برای آزمایش‌های فیزیک ذرات، محققان از SMSPDs به جای SNSPDs استفاده کردند، چون این حسگرها سطح جمع‌آوری بزرگ‌تری برای پاشش ذرات دارند. آن‌ها برای اولین بار از این حسگرها برای تشخیص ذرات باردار بهره بردند، قابلیتی که برای شبکه‌های کوانتومی یا کاربردهای نجومی لازم نیست، اما برای آزمایش‌های فیزیک ذرات ضروری است. شی می‌گوید: «نوآوری این مطالعه در اثبات این است که این حسگرها می‌توانند به طور مؤثری ذرات باردار را شناسایی کنند.»
حسگرهای SMSPD می‌توانند ذرات را در فضا و زمان با دقت بیشتری ردیابی کنند. شی می‌افزاید: «ما آن‌ها را حسگرهای ۴D می‌نامیم، چرا که می‌توانند به طور همزمان وضوح مکانی و زمانی بهتری ارائه دهند. طبق معمول در آزمایش‌های فیزیک ذرات، باید حسگرها را طوری تنظیم کنید که یا وضوح زمانی یا مکانی دقیق‌تر داشته باشند، نه هر دو به طور همزمان.»
چرا ۴D در ردیابی ذرات مهم است؟
هنگامی که محققان دسته‌های ذراتی را که از برخوردهای سریع بیرون می‌آیند تحلیل می‌کنند، می‌خواهند بتوانند مسیر آن‌ها را به طور دقیق در فضا و زمان ردیابی کنند. به عنوان تشبیه، تصور کنید می‌خواهید از تصاویر امنیتی برای ردیابی فردی مشکوک که در شلوغی مردم در ایستگاه گرند سنترال پنهان شده، استفاده کنید. شما نیاز به وضوح مکانی برای شناسایی افراد دارید، اما همچنین به وضوح زمانی لازم دارید تا مطمئن شوید فرد مورد نظر را ردیابی می‌کنید. اگر فقط تصاویری هر ۱۰ ثانیه یک‌بار ثبت شده داشته باشید، ممکن است او را از دست بدهید، اما اگر تصاویر هر ثانیه یک‌بار باشد، شانس شما بیشتر است.
اسپیروپولو می‌گوید: «در این برخوردها، ممکن است بخواهید کارکرد میلیون‌ها رویداد در ثانیه را ردیابی کنید. شما با صدها برهم‌کنش شدید روبرو هستید و یافتن برهم‌کنش‌های اولیه با دقت می‌تواند دشوار باشد. در دهه ۱۹۸۰ فکر می‌کردیم مختصات مکانی کافی است، اما اکنون که برخوردهای ذرات شدیدتر می‌شوند و ذرات بیشتری ایجاد می‌کنند، باید زمان را نیز ردیابی کنیم.»
آماده‌سازی برای شتاب‌دهنده‌های آینده
کریستین پینا، دانشمند فرمیلاب و فارغ‌التحصیل کالتک (دکتری ۲۰۱۷)، که این تحقیق را رهبری کرده، می‌گوید: «ما بسیار هیجان‌زده هستیم که روی تحقیق و گسترش آشکارسازهای پیشرفته همانند SMSPDs کار می‌کنیم، چرا که می‌توانند نقش حیاتی در پروژه‌های مهم این حوزه همانند شتاب‌دهنده دایره‌ای آینده یا شتاب‌دهنده میونی داشته باشند؛ و ما خوشحالیم که تیمی جهانی از چندین موسسه را گرد هم آورده‌ایم تا این تحقیق نوظهور را به سطح بعدی برسانیم.»