近日，由美国能源部费米国家加速器实验室、加州理工学院、美国宇航局喷气推进实验室、日内瓦大学和智利费德里科·圣玛丽亚技术大学的研究人员组成的团队，在费米实验室开展了一项开创性研究，测试超导微线单光子探测器(SMSPD)在粒子物理实验中的适用性。研究结果表明，SMSPD 具备高探测效率，有望成为推进粒子物理研究与暗物质探测的前沿技术，标志着向开发下一代粒子物理实验先进探测器迈出重要一步。
在研究中，团队利用一系列 SMSPD 探测器，对质子、电子和 π 介子等高能粒子的探测效率与时间分辨率进行测量。高效准确地探测这些粒子，对于深化科学家对基础物理的理解意义重大。领导此次研究的费米实验室科学家克里斯蒂安·佩尼亚(Cristián Peña)表示：“我们很荣幸参与 SMSPD 这类尖端探测器的研发，它们或许会在未来环形对撞机或国际 μ 子对撞机等领域的顶点项目中发挥关键作用。我们很幸运组建了这支由多机构专家组成的世界级团队，共同推动这项新兴研究迈向新高度。”
费米实验室与多机构研究团队的其他成员开展了一项研究，旨在测试超导微线单光子探测器(SMSPD)在高能粒子探测中的有效性。这项研究代表着在确定SMSPD是否适用于先进探测器方面迈出了重要一步。图中前排(从左至右)：Cristián Peña、Artur Apresyan、Si Xie;中排：Carlos Perez、Christina Wang、Adi Bornheim;后排：Aram、Matias Barria、Valentina Vega、Claudio San Martin。图片来源：Cristián Peña，费米实验室
传统粒子探测器虽有效，但在灵敏度、空间分辨率和时间分辨率方面存在局限，而这些特性是精确探测粒子的关键。为满足对更精确粒子探测器的需求，研究人员开始探索新的传感材料与技术。
此次研究的 SMPSD 阵列由喷气推进实验室(JPL)设计和制造，是高性能超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的变体。二者工作原理相似，均以一层超导材料薄膜(本例中为 3 纳米厚的硅化钨)为核心，将其图案化成 1.5 微米宽的导线，覆盖可检测带电粒子沉积能量信号的有效区域。研究人员施加略低于超导导线最大承受电流的偏置电流，当带电粒子沉积能量足以破坏超导性时，偏置电流从导线转移，产生可检测的电脉冲。
左图：超导微线单光子探测器(SMSPD)封装在一个暗箱中，以减少非光束产生的背景光子。探测器连接到低温冷却器的冷却级，使温度保持在极低水平，约为 0.8 开尔文。光束从中心的孔进入。右图：正在研究的 SMSPD，以小的深紫色区域表示。图片来源：克里斯蒂娜·王，费米实验室
SNSPD 因超低能量阈值和卓越时间分辨率，在量子信息科学和太空探索等领域已发挥重要作用。例如，JPL 将其用于太空光通信，费米实验室则应用于量子网络、暗物质研究和天体物理应用。然而，在粒子物理学领域，受限于有效探测面积较小且缺乏粒子束研究，其应用受限。
与之相比，SMSPD 的有效检测面积大幅超越纳米线探测器，为粒子物理实验所需的大型粒子探测器发展带来新契机。
研究团队报告，在不同探测区域和偏置电流条件下，SMSPD 均展现出一致的探测效率。费米实验室测试光束装置安装的硅跟踪望远镜，为精确测量探测效率提供了至关重要的空间分辨率。此外，研究人员首次测量了此类带电粒子的时间分辨率，这对下一代基于加速器的实验中精确追踪粒子意义重大。
费米实验室测试光束装置中正在研究的超导微线单光子探测器实验装置的示意图(上)和照片(下)，图中标明了粒子束线上的仪器。一台硅跟踪望远镜跟踪每个入射粒子的位置。SMSPD 位于望远镜一侧的六个条形模块和另一侧的四个像素以及另外六个条形模块之间，这些模块尽可能靠近低温恒温器。图片来源：克里斯蒂娜·王，费米实验室
论文合著者、费米实验室科学家兼加州理工学院研究科学家谢思表示：“这是开发未来粒子物理实验先进探测器的重要一步，才刚刚起步。我们有望探测到比以往更低质量的粒子，以及可能构成暗物质的奇异粒子。”
目前，研究团队已着手进一步改进 SMSPD 阵列及其他类似技术。费米实验室莱德曼研究员、本研究合著者克里斯蒂娜·王(Christina Wang)称：“我们正优化 SMSPD 阵列，使其适用于高能粒子探测，提升时间分辨率和探测效率，以应用于下一代基于加速器的实验。后续将持续以更高精度测试这些优化后的阵列。”她还透露，团队计划在未来实验中探索在基于加速器的实验里使用 SMSPD 阵列，通过表征其在高辐射和高粒子占有率环境中的有效运行能力，为将这项有前景的技术整合到未来粒子探测器中，助力发现新物理现象奠定关键基础。
该项研究发表于《仪器仪表杂志》，题为“利用大面积超导微线阵列进行高能粒子检测”，由美国能源部、费米国家加速器实验室、智利国家研究与发展机构(ANID)和费德里科·圣玛丽亚技术大学资助。
