捕捉幽靈粒子：量子感測器如何顛覆高能物理實驗

科學家正運用量子感測技術，為下一代高能實驗打造革命性的粒子偵測系統。這些超導體偵測器不僅能提供更精確的空間解析度，還能即時追蹤粒子碰撞事件——這對解讀混亂的粒子碰撞過程至關重要。透過整合天文學與量子網路領域的前沿技術，研究團隊在偵測暗物質等難以捕捉的粒子方面取得重大突破。

為探索物質、能量、時空的本質，物理學家運用粒子對撞機讓高能粒子相互碰撞。每秒產生的數百萬個新粒子中，有些甚至超出「標準模型」的理論框架——這個當今最主流的理論，解釋了宇宙的基本組成要素。隨著更強大的對撞機即將問世，科學家面臨如何解析更複雜碰撞資料的挑戰。

美國能源部費米實驗室、加州理工學院與NASA噴射推進實驗室（JPL）組成的團隊，正在開發新型量子感測偵測系統。加州理工學院物理學教授Maria Spiropulu指出：「未來20到30年，粒子對撞機將迎來典範轉移。我們現在發展量子技術，就是為了裝備更精密的偵測工具，探索新粒子、暗物質，乃至時空起源。」

研究團隊在《儀器學期刊》發表最新成果，首次於芝加哥費米實驗室測試「超導微線單光子偵測器」（SMSPDs）。這些量子感測器在偵測質子、電子、π介子等高能粒子束時，展現出比傳統偵測器更優異的時空解析度。費米實驗室科學家Si Xie表示：「這項技術讓我們有機會偵測質量更小的粒子，甚至是構成暗物質的特殊粒子。」

這類量子感測器與JPL用於深空光通訊實驗的超導奈米線單光子偵測器（SNSPDs）系出同源。研究團隊曾運用SNSPDs進行量子網路實驗，實現遠距量子態傳輸——這正是未來量子網路的關鍵技術。不過在粒子物理實驗中，團隊改用表面積更大的SMSPDs來捕捉粒子噴流，並首度驗證其偵測帶電粒子的能力。

Xie強調：「我們稱之為4D感測器，因為它能同步提升空間與時間解析度。」這就像在紐約中央車站的人潮中追蹤可疑人物，既需要清晰的影像解析個體，也需要足夠的拍攝頻率才不會跟丟目標。Spiropulu教授補充：「1980年代我們認為空間座標就足夠，但現在必須同時掌握時間維度，才能在每秒數百萬次碰撞中精確找出關鍵互動。」

主導研究的費米實驗室科學家Cristián Peña表示：「SMSPDs這類尖端偵測器，將在未來環形對撞機（FCC）或μ子對撞機等旗艦計畫扮演要角。我們很榮幸能集結跨機構的世界級團隊推進這項研究。」

該研究獲得美國能源部、費米實驗室、智利國家研究發展局（ANID）等單位資助，成果已發表於《儀器學期刊》。