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Sensores quânticos testados para experimentos de física de partículas de última geração

Para aprender mais sobre a natureza da matéria, energia, espaço e tempo, físicos colidem partículas de alta energia em grandes máquinas aceleradoras, criando jatos de milhões de partículas por segundo, com massas e velocidades variadas.

Para aprender mais sobre a natureza da matéria, energia, espaço e tempo, físicos colidem partículas de alta energia em grandes máquinas aceleradoras, criando jatos de milhões de partículas por segundo, com massas e velocidades variadas. As colisões também podem produzir partículas inteiramente novas, não previstas pelo Modelo Padrão, a teoria predominante sobre partículas e forças fundamentais em nosso universo. Há planos em andamento para criar aceleradores de partículas mais potentes, cujas colisões desencadearão tempestades subatômicas ainda maiores. Como os pesquisadores irão filtrar o caos?

A resposta pode estar nos sensores quânticos. Pesquisadores do Laboratório Nacional do Acelerador Fermi (Fermilab) do Departamento de Energia dos EUA, do Caltech, do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA (administrado pelo Caltech) e de outras instituições colaboradoras desenvolveram uma nova abordagem de instrumentação para detecção de partículas de alta energia que aproveita o poder dos sensores quânticos — dispositivos capazes de detectar partículas individuais com precisão.

"Nos próximos 20 a 30 anos, veremos uma mudança de paradigma nos aceleradores de partículas, à medida que se tornarem mais potentes em energia e intensidade", afirma Maria Spiropulu , Professora Shang-Yi Ch'en de Física no Caltech. "E isso significa que precisamos de detectores mais precisos. É por isso que estamos desenvolvendo a tecnologia quântica hoje. Queremos incluir o sensoriamento quântico em nossa caixa de ferramentas para otimizar as buscas de próxima geração por novas partículas e matéria escura, e para estudar as origens do espaço e do tempo."

Em artigo publicado no Journal of Instrumentation , a equipe de pesquisa, que também inclui colaboradores da Universidade de Genebra e da Universidade Técnica Federico Santa María, no Chile, testou sua nova tecnologia, chamada detectores de fótons únicos de microfios supercondutores (SMSPDs), pela primeira vez no Fermilab, perto de Chicago. Eles expuseram os sensores quânticos a feixes de alta energia de prótons, elétrons e píons, e demonstraram que os sensores eram altamente eficientes na detecção de partículas com resolução temporal e espacial aprimorada em comparação com os detectores tradicionais.

Este é um passo significativo para o desenvolvimento de detectores avançados para futuros experimentos de física de partículas, afirma o coautor Si Xie, cientista do Fermilab que tem um cargo conjunto no Caltech como pesquisador. "Este é apenas o começo", afirma. "Temos o potencial de detectar partículas com massa menor do que antes, bem como partículas exóticas, como as que podem constituir a matéria escura."

Os sensores quânticos utilizados no estudo são semelhantes a uma família relacionada de sensores (chamados detectores de fóton único de nanofios supercondutores, ou SNSPDs), que têm aplicações em redes quânticas e experimentos astronômicos. Por exemplo, pesquisadores do JPL — que estão entre os maiores especialistas do mundo em projeto e fabricação desses sensores — os utilizaram recentemente no experimento Deep Space Optical Communications, uma demonstração tecnológica que utilizou lasers para transmitir dados de alta definição do espaço para a Terra .

Spiropulu, Xie e outros cientistas do Fermilab, Caltech e JPL também utilizaram os sensores SNSPD em experimentos de redes quânticas, nos quais teletransportaram informações por longas distâncias — um passo importante no desenvolvimento de uma internet quântica no futuro. Esse programa, chamado Redes e Tecnologias Quânticas Inteligentes (INQNET), foi fundado em 2017 pelo Caltech e pela AT&T.

Para os testes de física de partículas, os pesquisadores utilizaram SMSPDs em vez de SNSPDs, pois estes possuem uma área de superfície maior para coletar os jatos de partículas. Eles usaram os sensores para detectar partículas carregadas pela primeira vez, uma capacidade que não é necessária para redes quânticas ou aplicações astronômicas, mas é essencial para experimentos de física de partículas. "A novidade deste estudo é que comprovamos que os sensores podem detectar partículas carregadas com eficiência", diz Xie.

Os sensores SMSPD também conseguem detectar partículas com maior precisão tanto no espaço quanto no tempo. "Nós os chamamos de sensores 4D porque eles conseguem alcançar melhor resolução espacial e temporal simultaneamente", diz Xie. "Normalmente, em experimentos de física de partículas, é preciso ajustar os sensores para obter uma resolução temporal ou espacial mais precisa, mas não ambas simultaneamente."

Quando pesquisadores analisam os aglomerados de partículas que se desprendem de colisões em alta velocidade, eles querem ser capazes de traçar com precisão seus caminhos no espaço e no tempo. Como analogia, imagine que você queira usar imagens de segurança para rastrear uma pessoa suspeita escondida em meio a uma multidão de pessoas que chegam à Grand Central Station vindas de vários trens. Você gostaria que as imagens tivessem resolução espacial suficiente para rastrear indivíduos. Mas você também gostaria de resolução temporal suficiente para garantir que você capture a pessoa de interesse. Se você só puder obter imagens tiradas a cada 10 segundos, poderá não perceber a pessoa, mas se tiver fotos capturadas a cada segundo, terá mais chances.

"Nessas colisões, talvez seja necessário monitorar o desempenho de milhões de eventos por segundo", diz Spiropulu. "Estamos imersos em centenas de interações, e pode ser difícil encontrar as interações primárias com precisão. Na década de 1980, achávamos que ter as coordenadas espaciais era suficiente, mas agora, à medida que as colisões de partículas se tornam mais intensas, produzindo mais partículas, também precisamos monitorar o tempo."

"Estamos muito entusiasmados em trabalhar em P&D de detectores de ponta como os SMSPDs, pois eles podem desempenhar um papel vital em projetos de conclusão de curso na área, como o planejado Colisor Circular Futuro ou um colisor de múons", afirma o cientista do Fermilab e ex-aluno do Caltech, Cristián Peña (PhD '17), que liderou a pesquisa. "E estamos entusiasmados por termos reunido uma equipe de classe mundial em diversas instituições para levar essa pesquisa emergente ao próximo nível."

O estudo, intitulado " Detecção de partículas de alta energia com matriz de microfios supercondutores de grande área ", foi financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, pelo Fermilab, pela Agência Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento (ANID) do Chile e pela Universidade Técnica Federico Santa María. Outros autores do Caltech incluem a ex-aluna de pós-graduação Christina Wang (PhD '24), o pesquisador Adi Bornheim, o pós-doutorado Andrew Mueller (PhD '24) e o aluno de pós-graduação Sahil Patel (MS '22). Outros autores do JPL são Boris Korzh (atual professor da Universidade de Genebra), Jamie Luskin e Matthew Shaw.

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