寻找奇异粒子和暗物质可能会得到4D量子探测器的重大推动。

长期以来，将亚原子粒子以接近光速的速度粉碎一直是了解宇宙基本组成部分的最佳方法。

这些在大型粒子加速器内进行的高能碰撞，帮助物理学家研究物质、能量、空间和时间。

由于新的加速器有望实现更强大、更混乱的碰撞，科学家们需要比以前使用的工具先进得多的工具。

这就是量子传感器的用武之地。

一个由费米实验室、加州理工学院、美国宇航局喷气推进实验室（JPL）和几个国际机构组成的团队开发了一种新型探测器，可以重新定义我们研究粒子碰撞的方式。

这些超导微线单光子探测器（SMSPDs）最近在费米实验室进行了测试，在探测高能光束中产生的粒子方面表现出了非凡的精度。

强大的碰撞需要精确的探测

当未来的对撞机达到更高的能量和粒子强度时，物理学家预计会遇到大量的数据 —— 粒子向四面八方喷射出来。

这使得检测比以往任何时候都更加复杂。

加州理工学院陈上义物理学教授Maria Spiropulu表示：“在未来的20到30年里，我们将看到粒子对撞机的范式转变，因为它们在能量和强度上变得更加强大。”

“这意味着，我们需要更精确的探测器。”

SMSPD提供了一个突破，它可以同时探测时间和空间信息，这是传统探测器无法做到的。

费米实验室的科学家谢思（音译）也是加州理工学院的一名联合研究员，他解释说，这些传感器本质上是“四维（4D）传感器”，因为它们结合了空间和时间分辨率，无需在两者之间妥协。

量子传感器接受测试

在他们的第一次主要测试中，SMSPD暴露在费米实验室的高能质子、电子和介子束中。

该探测器在时间精度和空间跟踪方面都优于传统系统。

在分析粒子碰撞中每秒发生的数百万次相互作用时，确定粒子运动的准确时间和地点至关重要。

“这项研究的新颖之处在于，我们证明了传感器可以有效地检测带电粒子，”谢思说。

超导纳米线单光子探测器（SMSPDs）更适合量子网络或天基光通信，与它们的前辈不同，SMSPDs具有更大的表面积，能够跟踪高能物理实验中关键的粒子。

打开了通往暗物质的大门

这些探测器可以使识别低质量粒子或全新的粒子成为可能，比如那些被假设构成暗物质的粒子。

谢思认为这只是一个开始：“我们有可能探测到比以前质量更低的粒子，以及可能构成暗物质的奇异粒子。”

在识别这些难以捉摸的目标时，精确度至关重要。

正如Spiropulu教授所说，“早在20世纪80年代，我们认为有空间坐标就足够了，但现在 …… 我们还需要跟踪时间。”

SMSPD可以帮助研究人员在四维空间中追踪粒子，为驾驭现代对撞机环境的压倒性复杂性提供了优势。

这些量子探测器可能成为未来对撞机的基础，包括拟议中的未来圆形对撞机或介子对撞机。

领导这项研究的费米实验室科学家Cristián Peña认为这项技术是一个及时的进步。

他说：“我们非常高兴能从事像SMSPD这样的尖端探测器的研发工作，因为它们可能在该领域的顶点项目中发挥至关重要的作用。”

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