Detektori čestica igraju ključnu ulogu u našem razumevanju fundamentalnih sastavnih delova svemira. Omogućavaju naučnicima da proučavaju ponašanje i svojstva čestica proizvedenih u sudarima na visokim energijama. Takve čestice se ubrzavaju gotovo do brzine svetlosti u velikim akceleratorima, gde se zatim sudaraju sa ciljnim materijalima ili drugim česticama i analiziraju pomoću detektora. Međutim, tradicionalni detektori često nemaju potrebnu osetljivost i preciznost za određene vrste istraživanja.
Istraživači u Nacionalnoj laboratoriji Argon (Argonne National Laboratory), koja posluje pod okriljem američkog Ministarstva energetike (DOE), ostvarili su značajan proboj u oblasti detekcije visokoenergetskih čestica. Njihovi eksperimenti, sprovedeni u Testnoj zračnoj laboratoriji (Test Beam Facility) u Fermilabu (Fermi National Accelerator Laboratory), doneli su neočekivanu primenu superprovodnih nanovirskih fotonskih detektora (SNSPDs) za detekciju protona na visokim energijama.
Ovi izuzetno precizni i osetljivi detektori već se koriste za detekciju fotona – osnovnih čestica svetlosti. Deluju tako što apsorbuju pojedinačne fotone, generišući sitne električne promene u nanovirima koji se nalaze u stanju superprovodnosti na izuzetno niskim temperaturama. Takvi uređaji igraju ključnu ulogu u kvantnoj kriptografiji, preciznim optičkim merenjima i kvantnom računarstvu.
Od fotonske do detekcije čestica
Nova studija, objavljena u časopisu Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, pokazuje da bi SNSPD-ovi mogli da funkcionišu i kao visoko precizni detektori za detekciju visokoenergetskih protona koji se koriste kao projektili u akceleratorima čestica. Proton je subatomska čestica sa pozitivnim električnim nabojem, prisutna u jezgru svakog atoma.
„Ovo je prvi put da je ova tehnologija korišćena na ovakav način,“ rekao je fizičar Vitni Armstrong (Whitney Armstrong) iz Argona. „Ovaj korak je bio ključan da dokažemo da tehnologija funkcioniše onako kako želimo, s obzirom na to da je prvobitno dizajnirana za detekciju fotona. Ovo je važna demonstracija za buduće visokoprofilne primene.“
Kako bi testirali sposobnost SNSPD-a da detektuje visokoenergetske protone, istraživači su konstruisali detektore sa nanovirima različitih širina i ispitali ih pomoću snopa protona energije 120 GeV u Fermilabu. Ovi eksperimenti omogućili su istraživačima da simuliraju uslove u kojima bi SNSPD-ovi mogli da rade u budućim eksperimentima u fizici visokih energija.
Rezultati su pokazali da nanoviri uži od 400 nanometara – dok je prečnik ljudske dlake otprilike 100.000 nanometara – postižu visoku efikasnost u detekciji protona. Optimalna širina nanovira za ovu primenu iznosila je približno 250 nanometara.
Pored izuzetne osetljivosti i preciznosti, SNSPD-ovi imaju još jednu prednost – mogu pouzdano da funkcionišu u jakim magnetnim poljima, što ih čini pogodnim za primenu u superprovodnim magnetima koji se koriste u akceleratorima za ubrzavanje čestica. Ovo je prvi put da je detekcija visokoenergetskih protona SNSPD-ovima dokumentovana, što otvara potpuno novu oblast istraživanja u fizici čestica.
Primena u budućim eksperimentima
„Ovo je bio uspešan transfer tehnologije iz oblasti kvantnih nauka, gde se koristi za detekciju fotona, u eksperimentalnu nuklearnu fiziku,“ istakao je fizičar Tomas Polaković (Tomas Polakovic) iz Argona. „Prepravili smo fotonski detektor kako bi bio otporniji na magnetna polja i prilagodili ga za detekciju čestica. I, evo, videli smo čestice tačno kako smo očekivali.“
Ovaj uspeh takođe potvrđuje izvodljivost tehnologije za upotrebu u Elektronsko-jonskom sudaraču (Electron-Ion Collider – EIC), vrhunskom akceleratoru čestica koji se gradi u Nacionalnoj laboratoriji Brukheven (Brookhaven National Laboratory). EIC će omogućiti sudare elektrona sa protonima i atomskim jezgrima kako bi se dobio bolji uvid u unutrašnju strukturu ovih čestica, uključujući kvarkove i gluone koji ih sačinjavaju.
„Energija protona koju smo testirali u Fermilabu nalazi se u sredini energetskog opsega jona koje ćemo detektovati u EIC-u, tako da su ovi testovi bili izuzetno relevantni,“ rekao je Sangbaek Li (Sangbaek Lee), postdoktorski istraživač u Argonu.
Ovo istraživanje je sprovedeno uz podršku DOE-ovog Centra za nanoskale materijale (Center for Nanoscale Materials) u Argonu, gde je korišćen alat za reaktivnu jonsku obradu kako bi se precizno oblikovali nanoviri. Među ključnim saradnicima na projektu bili su Alan Dibos, Timoti Dreher (Timothy Draher), Nejtanijel Pastika (Nathaniel Pastika), Zein-Eddine Meziani i Valentin Novosad (Valentine Novosad).
Ovo otkriće predstavlja značajan korak ka razvoju novih, visoko preciznih detektora čestica, koji bi mogli igrati ključnu ulogu u budućim eksperimentima u fizici visokih energija i kvantnim tehnologijama.
