超導奈米線意外突破：精準偵測近光速質子

研究人員最近發現，原本用於偵測光子的超導奈米線光子偵測器（SNSPDs），竟能精準偵測高能質子。這項意外發現可能徹底改變核子物理學，讓極端環境下的超靈敏測量成為可能。

粒子偵測器是研究宇宙基本組成的重要工具，幫助科學家分析高能碰撞中產生的粒子行為與特性。在這些實驗中，粒子被加速至接近光速，然後撞擊目標或其他粒子。偵測器則負責捕捉並測量結果，提供寶貴的科學洞察。然而，傳統偵測器往往缺乏某些研究所需的靈敏度與精確度。

美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室的研究團隊最近在高能粒子偵測領域取得重大突破。他們在費米國家加速器實驗室（Fermilab）的測試束流設施中進行實驗，開啟了更精確、更有效粒子偵測的新可能性。

阿貢物理學家Whitney Armstrong表示：「這是該技術首次用於此類實驗，這一步非常關鍵，因為它證明瞭這項技術能如我們所願運作。這為未來的高影響力應用奠定了基礎。」

研究團隊發現，原本用於偵測光子（光的基本粒子）的超導奈米線光子偵測器（SNSPDs），竟能精準偵測高能質子。這些極其靈敏且精確的偵測器透過吸收單個光子來運作。在極低溫下，超導奈米線會因吸收光子而產生微小電氣變化，從而實現光子的偵測與測量。能夠偵測單個光子的專用裝置對於量子密碼學（保護資訊安全的科學）、先進光學感測（利用光進行精確測量）以及量子計算（利用量子力學現象進行計算）至關重要。

在這項研究中，研究團隊發現這些光子感測器也可能成為高能質子的精準偵測器。質子是存在於所有元素原子核中的帶正電粒子。這項突破為核子與粒子物理學領域帶來了令人興奮的新機會。

研究團隊製作了不同線徑的SNSPDs，並在費米實驗室使用120 GeV的質子束進行測試。這些高能質子讓研究人員能夠模擬並研究SNSPDs在高能物理實驗中的運作條件，提供對其能力與限制的寶貴洞察。研究發現，線徑小於400奈米（人類頭髮的寬度約為100,000奈米）的SNSPDs展現出高能質子偵測所需的高效率。此外，研究還揭示了約250奈米的最佳線徑。

除了靈敏度與精確度外，SNSPDs在高磁場環境下也能良好運作，這使其適合用於加速器中提升粒子速度的超導磁體。使用SNSPDs偵測高能質子的能力此前從未被報導過，這項突破擴大了粒子偵測應用的範圍。

阿貢物理學家Tomas Polakovic表示：「這是量子科學領域（用於光子偵測）與實驗核子物理學之間的成功技術轉移。我們對光子感測裝置進行了微調，使其在磁場與粒子偵測中表現更佳。結果，我們確實看到了預期中的粒子。」

這項研究也展示了該技術在電子-離子對撞機（EIC）中應用的可行性。EIC是正在美國能源部布魯克海文國家實驗室建造的先進粒子加速器設施，將用電子撞擊質子與原子核（離子），以更深入瞭解這些粒子的內部結構，包括構成質子與中子核的夸克與膠子。

EIC需要靈敏且精確的偵測器，而SNSPDs將成為捕捉與分析EIC中碰撞產生的粒子的重要工具。阿貢物理學博士後研究員Sangbaek Lee表示：「我們在費米實驗室測試的質子能量範圍正好位於EIC中離子能量範圍的中間，因此這些測試非常合適。」

這項研究利用了阿貢國家實驗室奈米尺度材料中心的反應離子蝕刻工具。其他貢獻者包括Alan Dibos、Timothy Draher、Nathaniel Pastika、Zein-Eddine Meziani與Valentine Novosad。研究結果發表於《核儀器與物理研究方法A輯》，並由美國能源部科學辦公室核子物理辦公室資助。