费米实验室测试光束设施低温恒温器内印刷电路板上安装的 SNSPD 的特写图。该装置用于首次成功演示使用 SNSPD 进行高能质子探测。(图片由 Sangbaek Lee/阿贡国家实验室提供。)

粒子探测器在探索宇宙基本构成要素方面扮演着至关重要的角色，它们能够研究高能碰撞中产生的粒子的行为和特性。然而，传统的探测器在灵敏度和精度方面存在局限，难以满足某些类型研究的需要。近日，美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的研究人员在美国能源部费米国家加速器实验室(Fermilab)的测试光束设施中取得了高能粒子探测领域的重大突破。

研究团队发现了超导纳米线光子探测器(SNSPD)的新用途。这种探测器原本用于探测光子，即光的基本粒子，通过吸收单个光子来工作，并在极低的温度下在超导纳米线中产生微小的电变化，从而检测和测量光子。SNSPD因其极高的灵敏度和精确性，在量子密码学、先进的光学传感和量子计算等领域发挥着关键作用。

在这项研究中，研究小组发现这些光子传感器也可能用作高精度粒子探测器，特别是用于粒子加速器中作为弹丸的高能质子。质子存在于每个元素的原子核中，是一种带正电荷的粒子。阿贡物理学家惠特尼·阿姆斯特朗表示，这是SNSPD技术的首次此类应用，它证明了该技术能够按照预期方式工作，为未来高影响力应用提供了关键演示。

研究团队制作了不同线径的SNSPD，并在费米实验室用120 GeV质子束对其进行了测试。他们发现，小于400纳米(人类头发的宽度约为100,000纳米)的线宽可实现高能质子传感所需的高检测效率，而最佳线径约为250纳米。此外，SNSPD在强磁场下也能很好地工作，非常适合用于加速器中用于提高粒子速度的超导磁体。

阿贡物理学家托马斯·波拉科维奇指出，这是一次成功的技术转移，从光子探测到量子科学，再到实验核物理。研究团队对光子传感装置进行了改进，使其在磁场和粒子中更好地发挥作用，结果与预期完全一致。

这项研究还证明了SNSPD在电子离子对撞机(EIC)中的应用可行性。EIC是能源部布鲁克海文国家实验室正在建造的尖端粒子加速器，将使电子与质子和原子核(离子)发生碰撞，以更好地观察这些粒子的内部结构。EIC需要灵敏而精确的探测器，而SNSPD将成为捕获和分析EIC内碰撞产生的粒子的有力工具。

阿贡国家实验室物理学博士后研究员Sangbaek Lee表示，他们在费米实验室测试的质子能量范围正好位于EIC将探测到的离子能量范围的中间，因此这些测试非常合适。

该研究得到了美国能源部科学办公室核物理办公室的资助，并发表在《物理学研究A部分中的核仪器和方法》上。除了阿贡国家实验室的研究人员外，其他贡献者还包括Alan Dibos、Timothy Draher、Nathaniel Pastika、Zein-Eddine Meziani和Valentine Novosad。