شکار ذرات فراری با سنسورهای کوانتومی
برنا - گروه علمی و فناوری: دانشمندان با استفاده از سنسورهای پیشرفته کوانتومی موفق شدند ذرات پرانرژی را با دقت بی‌سابقه‌ای ردیابی کنند.
پژوهشگران مؤسسات پیشروی علمی در آمریکا از جمله آزمایشگاه فرمی، مؤسسه فناوری کالیفرنیا، آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا و دانشگاه‌های همکار، موفق به توسعه و آزمایش نوعی حسگر کوانتومی پیشرفته شده‌اند که می‌تواند مسیر آینده تحقیقات در فیزیک ذرات را متحول سازد.
به گزارش فیزیکس اوآرجی، در تلاش برای درک عمیق‌تر ماهیت ماده، انرژی، فضا و زمان، فیزیک‌دانان در شتاب‌دهنده‌های عظیم، ذرات پرانرژی را با یکدیگر برخورد می‌دهند. این برخوردها منجر به تولید میلیون‌ها ذره با جرم‌ها و سرعت‌های گوناگون در هر ثانیه می‌شود و حتی می‌تواند به پیدایش ذراتی منجر شود که در مدل استاندارد فیزیک – نظریه غالب درباره ذرات بنیادی و نیرو‌های طبیعت – پیش‌بینی نشده‌اند. اکنون برنامه‌هایی برای ساخت شتاب‌دهنده‌های پرقدرت‌تر در دست اجراست؛ شتاب‌دهنده‌هایی که طوفان‌های زیراتمی بزرگ‌تری ایجاد خواهند کرد. اما پرسش اصلی آن است که دانشمندان چگونه از دل این آشوب، داده‌های دقیق را استخراج خواهند کرد؟
پاسخ احتمالی، در استفاده از حسگرهای کوانتومی نهفته است. تیم تحقیقاتی بین‌المللی با بهره‌گیری از فناوری کوانتومی، روشی نوآورانه برای آشکارسازی ذرات پرانرژی توسعه داده است. این حسگرهای کوانتومی که SMSPDs (آشکارساز‌های تک‌فوتون میکروسیمی ابررسانا) نام دارند، قادر به شناسایی دقیق ذرات منفرد هستند.
ماریا اسپیروپولو، استاد فیزیک در مؤسسه فناوری کالیفرنیا می‌گوید: «در دو تا سه دهه آینده، شاهد تحولاتی بنیادین در طراحی شتاب‌دهنده‌ها خواهیم بود؛ هم از نظر انرژی و هم شدت برخوردها؛ بنابراین به آشکارساز‌هایی بسیار دقیق‌تر نیاز خواهیم داشت و این همان دلیلی است که ما امروز به توسعه فناوری کوانتومی می‌پردازیم. هدف ما بهره‌گیری از حسگرهای کوانتومی در جست‌و‌جو‌های نسل بعدی برای کشف ذرات جدید و ماده تاریک، و همچنین مطالعه منشأ فضا و زمان است.»
این پژوهش که نتایج آن در نشریه Journal of Instrumentation منتشر شده، اولین بار در آزمایشگاه فرمی نزدیک شیکاگو انجام گرفت. تیم تحقیقاتی متشکل از دانشمندانی از دانشگاه ژنو، دانشگاه سانتاماریا در ونزوئلا و دیگر مراکز، حسگرهای SMSPD را در معرض پرتو‌هایی از پروتون، الکترون و پیون قرار دادند و نشان دادند که این حسگر‌ها در مقایسه با آشکارساز‌های سنتی، کارایی بسیار بالایی در شناسایی ذرات دارند و دقت زمانی و مکانی آنها به‌مراتب بهتر است.
سی شی، پژوهشگر فرمی‌لب و عضو مشترک کالتک، می‌گوید: «این تنها آغاز راه است. با این فناوری می‌توانیم ذراتی با جرم کمتر از پیش شناسایی کنیم و حتی ذرات عجیبی را که شاید همان ماده تاریک باشند، ردیابی نماییم.»
این حسگر‌ها شباهت زیادی به خانواده دیگری از حسگرهای کوانتومی دارند که با عنوان SNSPD (آشکارساز‌های تک‌فوتون نانوسیمی ابررسانا) شناخته می‌شوند و کاربرد‌های گسترده‌ای در حوزه‌های شبکه‌های کوانتومی و اخترشناسی دارند. به‌عنوان مثال، تیم تحقیقاتی JPL اخیراً از آنها در پروژه ارتباطات نوری اعماق فضا (Deep Space Optical Communications) بهره گرفته است؛ پروژه‌ای که در آن داده‌های با وضوح بالا از فضا به زمین با استفاده از لیزر منتقل شدند.
اسپیروپولو، شی و سایر دانشمندان، پیش‌تر از SNSPDها در آزمایش‌های شبکه کوانتومی استفاده کرده بودند که در آن، اطلاعات به‌صورت دورنوردی کوانتومی (Quantum Teleportation) بین فواصل زیاد منتقل شدند؛ گامی مهم در مسیر توسعه اینترنت کوانتومی آینده. این پروژه که INQNET نام دارد، در سال ۲۰۱۷ توسط کالتک و AT&T بنیان‌گذاری شد.
در آزمایش فیزیک ذرات، محققان به‌جای SNSPDها از SMSPDها بهره گرفتند؛ زیرا این حسگر‌ها سطح جمع‌آوری بزرگ‌تری دارند و برای شناسایی ذرات باردار طراحی شده‌اند، ویژگی‌ای که در حوزه‌های دیگر مانند اخترشناسی و شبکه‌های کوانتومی ضروری نیست، اما برای فیزیک ذرات حیاتی است.
به گفته شی: «نوآوری اصلی این مطالعه، اثبات توانایی این حسگر‌ها در شناسایی مؤثر ذرات باردار است.»
ویژگی منحصر‌به‌فرد حسگرهای SMSPD، توانایی آنها در ثبت موقعیت مکانی و زمانی ذرات با دقت بالا است؛ ازاین‌رو به آنها حسگرهای چهاربعدی (۴ D sensors) نیز گفته می‌شود. شی توضیح می‌دهد: «در آزمایش‌های فیزیک ذرات، معمولاً حسگر‌ها یا در بُعد زمانی دقیق‌ترند یا در بُعد مکانی. اما SMSPDها امکان ثبت دقیق هم‌زمان این دو بعد را فراهم می‌کنند.»
به‌عنوان یک قیاس، تصور کنید بخواهید فردی مشکوک را در میان جمعیتی که وارد ایستگاه گرند سنترال می‌شوند، شناسایی کنید. در چنین شرایطی، به تصاویری با وضوح مکانی بالا برای ردیابی افراد و همچنین وضوح زمانی بالا برای تشخیص لحظات حضور نیاز دارید. اگر تصاویر تنها هر ۱۰ ثانیه یک‌بار ثبت شوند، ممکن است فرد را از دست بدهید، اما اگر در هر ثانیه تصویری وجود داشته باشد، شانس موفقیت بالاتر می‌رود.
اسپیروپولو می‌افزاید: «در این برخوردها، گاهی لازم است عملکرد میلیون‌ها رخداد را در هر ثانیه بررسی کنیم. حجم تعاملات بسیار زیاد است و یافتن برخورد‌های اصلی با دقت بالا دشوار خواهد بود. در دهه ۱۹۸۰، داشتن مختصات مکانی کافی به نظر می‌رسید، اما اکنون با شدت بالای برخوردها، به دقت زمانی بالا نیز نیاز داریم.»
کریستیان پنا، دانشمند فرمی‌لب و فارغ‌التحصیل دکتری از کالتک که هدایت این تحقیق را بر عهده داشته است، می‌گوید: «ما بسیار مشتاقیم که روی تحقیق و توسعه آشکارساز‌هایی پیشرفته مانند SMSPD کار کنیم، زیرا این فناوری‌ها ممکن است نقشی کلیدی در پروژه‌های آینده مانند شتاب‌دهنده دایره‌ای آینده (Future Circular Collider) یا شتاب‌دهنده میونی ایفا کنند.»
انتهای پیام/
گزارش برنا از برهم‌نهی کوانتومی و کاربرد آن در رایانش کوانتومی؛
گزارش برنا از گامی جدید به‌سوی مرزهای نهایی فیزیک:
گزارش برنا از تصویر بی‌سابقه از حرکت الکترون؛
گزارش برنا از دستاوردی جدید در صنعت رباتیک:
گزارش برنا از جهشی بزرگ در علم مواد و فناوری باتری‌ها؛
نظر شما
پیشنهاد سردبیر
پرونده ویژه
