شکار پروتون با نانوسیمهای یخزده
در آزمایشگاههای پیشرفته فیزیک ذرات، شناسایی دقیق و سریع پروتونهایی که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت میکنند، همواره یکی از چالشهای اساسی بوده است.
به گزارش زمین، اکنون محققان آزمایشگاه ملی آرگون (Argonne National Laboratory) در آمریکا با بهرهگیری از فناوری نانوسیمهای ابررسانای خنکشده، گامی نوین در این مسیر برداشتهاند. این نانوسیمها که پیشتر برای شناسایی فوتونها طراحی شده بودند، اکنون با اندکی اصلاح توانستهاند پروتونهای پرانرژی را با دقت بینظیری ثبت کنند.
سنسورهایی کوچک برای ذراتی پرسرعت
شتابدهندههای ذرات میتوانند پروتونها را تا سرعتی نزدیک به نور شتاب دهند و با برخورد آنها به هدف، ساختار بنیادین ماده را آشکار سازند. اما حسگرهای سنتی گاهی در محیطهای پرانرژی یا مغناطیسی عملکرد ضعیفی دارند.
سنسورهای جدید موسوم به SNSPDs (سنسورهای تکفوتونی مبتنی بر نانوسیم ابررسانا) که در اصل برای شناسایی ضعیفترین سیگنالهای نوری طراحی شده بودند، اکنون در نقش جدید خود به شناسایی ذرات باردار پرسرعت میپردازند.
از فوتون تا پروتون؛ تنها با یک تغییر ظریف
محققان آرگون این حسگرها را با پرتو پروتونی به انرژی ۱۲۰ گیگاالکترونولت آزمایش کردند. آنها دریافتند که نازکتر شدن عرض نانوسیمها موجب افزایش حساسیت به پروتونها میشود. این تغییر کوچک در طراحی، در را به روی پروژههای نوین در فیزیک هستهای باز میکند.
تحمل در برابر میدانهای مغناطیسی شدید
یکی از مزایای کلیدی این نانوسیمها، مقاومت آنها در برابر میدانهای مغناطیسی قوی است؛ ویژگیای که در بسیاری از حسگرهای دیگر دیده نمیشود. این بدان معناست که میتوان آنها را بدون افت عملکرد، حتی در نزدیکترین نقاط به آهنرباهای قدرتمند شتابدهندهها نصب کرد.
پل فناوریهای کوانتومی و فیزیک هستهای
توماش پولاکوویچ، فیزیکدان آرگون، انتقال موفق این فناوری از حوزه علوم کوانتومی به فیزیک هستهای تجربی را یک دستاورد بیسابقه میداند. او تأکید کرد که تنها با چند اصلاح جزئی، نانوسیمها توانستند ذرات باردار را در سرعتهای بالا شناسایی کنند؛ امری که پیشتر در محیطهای آزمایشگاهی دشوار به نظر میرسید.
چشماندازی برای برخورددهنده الکترون-یون (EIC)
یکی از کاربردهای آتی این سنسورها در برخورددهنده الکترون-یون (EIC) خواهد بود که در حال ساخت در آزمایشگاه بروکهاون است. این دستگاه قرار است با برخورد الکترونها به پروتونها و یونها، اطلاعات تازهای درباره ساختار درونی ماده، از جمله کوارکها و گلوئونها فراهم کند. SNSPDها به دلیل ابعاد کوچک و دقت زمانی بالا، میتوانند در ثبت برخوردهای ظریف به کار گرفته شوند.
نانوسیمهایی برای چندین کاربرد همزمان
نانوسیمهای SNSPD نهتنها در فیزیک ذرات، بلکه در رمزنگاری کوانتومی و حسگرهای نوری نیز کاربرد دارند. این وسایل وقتی تا دمایی نزدیک به صفر مطلق خنک میشوند، میتوانند فوتونهای منفرد را شناسایی کنند. این ویژگی آنها را به ابزارهایی چندمنظوره تبدیل کرده که میتوانند همزمان در علوم کوانتومی و فیزیک پرانرژی به کار گرفته شوند.
بهینهسازی طراحی برای عملکرد بهتر
دانشمندان همچنین به بررسی عملکرد نانوسیمها با عرضهای مختلف در برابر شار زیاد پروتون پرداختند. آنها دریافتند که عرض چند صد نانومتر بهترین عملکرد را بدون اشغال فضای زیاد ارائه میدهد. هدف آنها تقویت پایداری حسگرها در برابر تابشهای شدید و حفظ حالت ابررسانایی در طول عملیاتهای متداول آزمایشگاهی است.
محققان قصد دارند ساختارهای نانوسیم و مدارهای خوانش را بهینه کنند. بررسی نواحی کوچکتر برای افزایش بهرهوری و کاهش نویز از برنامههای پیشروست. همچنین آزمایشهای آتی قرار است توانایی این سنسورها در میدانهای مغناطیسی متنوع و در برابر انرژیهای مختلف پرتو را بررسی کنند.
اهمیت شناسایی دقیق پروتونها
این تحقیقات نشان میدهد که تلفیق فناوریهای کوانتومی با فیزیک پرانرژی میتواند خلأهای موجود در ابزارهای سنتی را پر کند. SNSPDها ممکن است به زودی به تجهیزات رایج در مراکز تحقیقاتی بزرگ یا حتی آزمایشگاههای کوچکتر تبدیل شوند.
چالش خنکسازی و راهکارهای آن
هرچند سیستم خنکسازی این نانوسیمها ممکن است در نگاه نخست چالشبرانگیز به نظر برسد، اما بسیاری از مراکز علمی پیشرفته هماکنون از تجهیزات مشابه برای آزمایشهای دیگر بهره میبرند؛ بنابراین استفاده گسترده از این حسگرها چندان دور از دسترس نیست.
از آزمایش تا بهرهبرداری گسترده
تیم آرگون در ماههای آینده بر روی قابلیتهای این سنسورها به عنوان ابزارهای تشخیصی استاندارد تمرکز خواهد کرد. آنها دوام، دقت و پایداری حسگرها را در برابر برخوردهای پیدرپی مورد ارزیابی قرار میدهند. همچنین، طراحی نسل جدید سامانههای برودتی و مدارهای خوانش نیز در دستور کار قرار دارد.
آیندهای روشن برای شناسایی ذرات
پژوهش صورتگرفته توسط تیم آرگون، نشاندهنده ظرفیتهای بالای فناوری SNSPD در کشف پدیدههایی است که تا پیش از این، در لابهلای نویز ابزارهای معمولی پنهان بودند. این سنسورها با دقت بالا، مقاومت در برابر میدانهای مغناطیسی، و قابلیتهای چندگانه، میتوانند نسل جدیدی از تجهیزات علمی را پایهگذاری کنند که درک ما از ساختار ماده را متحول خواهد کرد.
انتهای پیام/
