فیزیک‌دانان از دنیای شگفت حسگر‌های کوانتومی منفعت گیری می‌کنند تا آشکارسازی ذرات را در نسل بعدی آزمایش‌های پر انرژی منقلب کنند.

این آشکارساز‌های ابررسانا نه تنها وضوح مکانی تیزتری اراعه خواهند داد، بلکه قادرند اتفاقات‌ها را در زمان ردیابی کنند، این ویژگی برای رمزگشایی از برخورد‌های آشفته ذرات الزامی است.

باز کردن قفل‌های جهان با برخورددهنده‌های ذرات

برای فهمیدن بهتر ماهیت بنیادی ماده، انرژی، فضا و زمان، فیزیک‌دانان از ماشین‌های قدرتمندی به نام شتاب‌دهنده‌های ذرات منفعت گیری می‌کنند. این ماشین‌ها ذرات پرانرژی را به هم برخورد خواهند داد و هر ثانیه انفجاری از میلیون‌ها ذره تازه با جرم‌ها و شدت‌های گوناگون تشکیل می‌کنند. بعضی اوقات اوقات، این برخورد‌ها حتی ذراتی تشکیل می‌کنند که در مدل استاندارد، نظریه غالبی که اجزای اولیه جهان را توضیح می‌دهد، جای ندارند.

اکنون، پژوهشگران تصمیم دارند شتاب‌دهنده‌هایی پرقدرت بسازند که قادر به تشکیل برخورد‌های شدیدتر باشند. اما با این همه پیچیدگی، دانشمندان چطور می‌توانند از بین این آشفتگی زیراتمی بگذرند؟

حسگر‌های کوانتومی ابررسانای میکروسیم: پیشرفتی در دقت

کلید پیروزی امکان پذیر در حسگر‌های کوانتومی باشد. دانشمندان در آزمایشگاه ملی فرمیلاب وزارت انرژی ایالات متحده، کلتک، آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL) و دیگر مؤسسات، نوع جدیدی از سیستم‌های آشکارسازی ذرات را گسترش خواهند داد که از حسگر‌های کوانتومی منفعت گیری می‌کنند. این دستگاه‌های فوق‌حساس می‌توانند ذرات منفرد را با دقت بالا تشخیص دهند.

به گزارش scitechdaily، ماریا اسپیروپولو، استاد فیزیک شانگ-یی چن در کلتک، می‌گوید: «در ۲۰ تا ۳۰ سال آینده، ناظر تحول الگو در برخورددهنده‌های ذرات خواهیم می بود، چون آنها از نظر انرژی و شدت پرقدرت خواهد شد؛ و این بدان معناست که به آشکارساز‌های دقیق‌تری نیاز داریم. به همین علت امروزه فناوری کوانتومی را گسترش می‌دهیم. ما می‌خواهیم حسگری کوانتومی را به جعبه‌ابزار خود اضافه کنیم تا جستجوی نسل بعدی برای ذرات و ماده تاریک تازه را بهینه کنیم و منشأ فضا و زمان را مطالعه کنیم.»

اولین آزمایش عملی حسگر‌های کوانتومی

در مجله Journal of Instrumentation، تیم تحقیقاتی که شامل همکارانی از دانشگاه ژنو و دانشگاه فدریکو سانتا ماریا در شیلی نیز می‌شود، برای اولین بار از فناوری تازه خود به نام «آشکارساز‌های فوتون منفرد ابررسانای میکروسیم» (SMSPDs) در فرمیلاب نزدیک شیکاگو منفعت گیری کردند. آنها حسگر‌های کوانتومی را در معرض پرتو‌های پر انرژی پروتون‌ها، الکترون‌ها و پایون‌ها قرار دادند و نشان دادند که این حسگر‌ها به طور مؤثری ذرات را با وضوح وقتی و مکانی بهبود یافته نسبت به آشکارساز‌های سنتی تشخیص خواهند داد.

این یک قدم مهم به سمت گسترش آشکارساز‌های پیشرفته برای آزمایش‌های فیزیک ذرات آینده است. سی شی، دانشمند فرمیلاب که در کلتک نیز گفتن پژوهشگر را دارد، می‌گوید: «این فقط اغاز است. ما می‌توانیم ذراتی با جرم کمتر از قبل و حتی ذرات غریب همانند آنهایی که امکان پذیر ماده تاریک را راه اندازی دهند، تشخیص دهیم.»

ریشه‌ها در نجوم و شبکه‌های کوانتومی

حسگر‌های کوانتومی منفعت گیری‌شده در این مطالعه شبیه خانواده‌ای از حسگر‌ها (به نام آشکارساز‌های فوتون منفرد ابررسانای نانوسیم یا SNSPDs) می باشند که در شبکه‌های کوانتومی و آزمایش‌های نجومی کاربرد دارند. به گفتن مثال، محققان JPL که از متخصصان برتر جهان در طراحی و ساخت این حسگر‌ها می باشند، اخیراً از آنها در آزمایش Deep Space Optical Communications منفعت گیری کرده‌اند، یک نمایش فناوری که از لیزر‌ها برای انتقال داده‌های باکیفیت بالا از فضا به زمین منفعت گیری می‌کند.

اسپیروپولو، شی و دیگر دانشمندان از فرمیلاب، کلتک و JPL نیز از حسگر‌های SNSPD در آزمایش‌های شبکه کوانتومی منفعت گیری کرده‌اند که در آن اطلاعات را در فواصل طویل تلپورت می‌کنند — یک قدم مهم در گسترش اینترنت کوانتومی آینده. این برنامه، که INQNET نام دارد، در سال ۲۰۱۷ توسط کلتک و AT&T به طور مشترک تأسیس شد.

قوت‌های تازه برای فیزیک ذرات

برای آزمایش‌های فیزیک ذرات، محققان از SMSPDs به جای SNSPDs منفعت گیری کردند، چون این حسگر‌ها سطح جمع‌آوری بزرگ‌تری برای پاشش ذرات دارند. آنها برای اولین بار از این حسگر‌ها برای تشخیص ذرات باردار منفعت گیری کردند، یک قابلیتی که برای شبکه‌های کوانتومی یا کاربرد‌های نجومی نیاز نیست، اما برای آزمایش‌های فیزیک ذرات الزامی است. شی می‌گوید: «تازه بودن این مطالعه در این است که ما اثبات کردیم این حسگر‌ها می‌توانند به طور مؤثر ذرات باردار را تشخیص دهند.»

حسگر‌های SMSPD این چنین می‌توانند ذرات را در فضا و زمان با دقت بیشتری تشخیص دهند. شی می‌افزاید: «ما آنها را حسگر‌های ۴ D می‌نامیم، چون می‌توانند به طور همزمان وضوح مکانی و وقتی بهتری اراعه دهند.طبق معمول در آزمایش‌های فیزیک ذرات، باید حسگر‌ها را تنظیم کنید تا یا وضوح وقتی یا مکانی دقیق‌تری داشته باشند، اما نه هر دو به طور همزمان.»

چرا ۴ D در ردیابی ذرات مهم است؟

هنگامی محققان دسته‌هایی از 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 گفتن یک تمثیل، فکر کنید می‌خواهید از تصاویر امنیتی برای ردیابی فرد مشکوکی که در شلوغی مردم در ایستگاه مرکزی گرند سنترال مخفی شده است، منفعت گیری کنید. شما می‌خواهید تصاویر دارای وضوح مکانی کافی برای ردیابی افراد باشند. اما این چنین به وضوح وقتی کافی نیاز دارید تا یقین شوید فرد مورد نظر را می‌گیرید. اگر فقط تصاویری که هر ۱۰ ثانیه یکبار گرفته خواهد شد داشته باشید، امکان پذیر او را از دست بدهید، اما اگر تصاویری که هر ثانیه یکبار گرفته خواهد شد داشته باشید، شانس بیشتری دارید.

اسپیروپولو می‌گوید: «در این برخوردها، امکان پذیر بخواهید کارکرد میلیون‌ها اتفاقات در ثانیه را ردیابی کنید. شما با صد‌ها برهمکنش شدید شده‌اید و یافتن برهمکنش‌های اولیه با دقت می‌تواند دشوار باشد. در دهه ۱۹۸۰، فکر می‌کردیم مختصات مکانی کافی است، اما اکنون که برخورد‌های ذرات شدیدتر خواهد شد و ذرات بیشتری تشکیل می‌کنند، باید زمان را نیز ردیابی کنیم.»

راه‌اندازی برای برخورددهنده‌های آینده

کریستیان پینا، دانشمند فرمیلاب و فارغ‌التحصیل کلتک (دکتری ′۱۷)، که این تحقیق را رهبری کرده است، می‌گوید: «ما زیاد شوق‌زده هستیم که روی تحقیق و گسترش آشکارساز‌های پیشرفته همانند SMSPDs کار می‌کنیم، چون امکان پذیر نقش حیاتی در پروژه‌های مهمی در این عرصه همانند برخورددهنده دایره‌ای آینده یا برخورددهنده میونی داشته باشند؛ و ما خوشحالیم که تیمی در سطح جهانی از چندین مؤسسه گرد هم آورده‌ایم تا این تحقیق نوظهور را به سطح بعدی ببریم.»