طراحی حسگرهای نازک‌تر از مو توسط دانشمندان آمریکایی برای ردیابی ذرات پرانرژی
پژوهشگران آزمایشگاه ملی آرگون (ANL) با بازتولید حسگرهای نانوسیمی فوتون‌یاب به عنوان آشکارسازهای ذرات پرسرعت و دقیق، به دستاوردی مهم در ردیابی ذرات پرانرژی دست یافته‌اند که حتی در شتاب‌دهنده‌های ذرات نیز قابل استفاده هستند.
این پژوهشگران طبق یک بیانیه مطبوعاتی، آزمایش‌های خود را در تأسیسات پرتو آزمایشی آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده فرمی، که به نام فرمیلَب نیز مشهور است، انجام دادند.
شتاب‌دهنده‌های ذرات جزء مهمی از تلاش‌های ما برای درک منشأها و واحدهای سازنده جهان هستند. در این سیستم‌های عظیم، دانشمندان برخوردهای پرانرژی ایجاد می‌کنند و به بررسی رفتار و خواص ذراتی که در نتیجه ایجاد می‌شوند، می‌پردازند. درون شتاب‌دهنده‌ها، ذرات با سرعت نور حرکت می‌کنند و باید به دقت شناسایی شوند تا بتوان به بررسی‌های بیشتری پرداخت.
آشکارسازهای معمولی در شتاب‌دهنده‌های ذرات فاقد حساسیت و دقت مورد نیاز برای تحقیقات پیشرفته هستند، که موجب ایجاد گلوگاهی در درک ما از جهان می‌شود. پژوهشگران در ANL به آشکارسازهای نانوسیمی فوتون تکی ابررسانا (SNSPDs) رو آورده‌اند تا این مشکل را حل کنند.
SNSPDs چیست؟
آشکارسازهای نانوسیمی فوتون تکی ابررسانا (SNSPDs) به عنوان آشکارسازهای نوری فوق حساس طراحی شده‌اند که از یک نانوسیم ابررسانا استفاده می‌کنند و به قدری کارآمد هستند که حتی می‌توانند یک فوتون تکی را شناسایی کنند.
شناسایی دقیق بر اساس جذب فوتون توسط ماده، که سپس افزایش کوچکی در بار درون نانوسیم ایجاد می‌کند، انجام می‌شود. در دماهای بسیار پایین، نانوسیم می‌تواند این افزایش کوچک در بار را شناسایی کند و منجر به شناسایی دقیق شود.
SNSPDs با کاربردهایی مانند حسگرهای نوری و محاسبات کوانتومی در ذهن در حال توسعه هستند. اما تیم پژوهشی در ANL به این فکر افتاده بود که آیا این حسگرها می‌توانند به عنوان آشکارسازهای ذرات درون شتاب‌دهنده‌ها نیز استفاده شوند.
SNSPDs به عنوان آشکارسازهای ذرات
برای ارزیابی اینکه آیا SNSPDs می‌توانند به عنوان آشکارسازهای ذرات عمل کنند، تیم در ANL این نانوسیم‌ها را در اندازه‌های مختلف ساختند و آن‌ها را برای شناسایی پرتوهای پروتون‌های 120GeV در فرمیلَب استفاده کردند. پروتون‌ها در هسته اتمی یافت می‌شوند، بار الکتریکی مثبت دارند و اغلب به عنوان پرتابه در شتاب‌دهنده‌های ذرات استفاده می‌شوند.
استفاده از پروتون‌ها در آزمایش‌های خود به پژوهشگران ANL اجازه داد شرایط شتاب‌دهنده ذرات را شبیه‌سازی کنند و بررسی کنند که آیا SNSPDs می‌توانند وظیفه را انجام دهند و محدودیت‌هایی که ممکن است از استفاده از آن‌ها به عنوان آشکارساز به وجود آید را آزمایش کنند.
پژوهشگران دریافتند که عرض نانوسیم‌های 400 نانومتری بازده شناسایی بالایی برای حسگرهای پروتون‌های پرانرژی داشتند. در مقایسه، عرض یک تار موی انسان 10,000 نانومتر است. به طور کلی، سنسورهایی با عرض نانوسیم 250 نانومتر بهینه برای این کاربرد بودند.
“این استفاده‌ای بی‌سابقه از فناوری بود،” ویتنی آرمسترانگ، فیزیکدان در ANL که در این کار مشارکت داشت، در بیانیه مطبوعاتی گفت. “این گام برای نشان دادن اینکه فناوری به طریقی که ما می‌خواهیم کار می‌کند حیاتی بود زیرا معمولاً به سمت فوتون‌ها هدف‌گیری شده است. این یک نمایش کلیدی برای کاربردهای آینده با تأثیر بالا بود.”
از آنجا که SNSPDs می‌توانند به خوبی تحت میدان‌های مغناطیسی بالا عمل کنند، برای استفاده در آهنرباهای ابررسانا برای افزایش سرعت ذرات در شتاب‌دهنده‌ها مناسب هستند.
علاوه بر این، پژوهشگران پیشنهاد می‌دهند که حسگرها می‌توانند در یک برخوردگر الکترون-یون (EIC) که در آن الکترون‌ها به عنوان پرتابه استفاده می‌شوند و بر روی پروتون‌ها و هسته‌های اتمی بمباران می‌شوند، نیز به کار بیایند. یک تأسیسه شتاب‌دهنده ذرات EIC در حال ساخت در آزمایشگاه ملی بروکهِون در آمریکا است.
یافته‌های این پژوهش در Nuclear Instruments and Methods in Physics Research منتشر شدند.
