अगली पीढ़ी के कण भौतिकी प्रयोगों के लिए क्वांटम सेंसर का परीक्षण किया गया

इसका उत्तर क्वांटम सेंसर में झूठ हो सकता है। अमेरिकी ऊर्जा विभाग के फर्मी नेशनल एक्सेलेरेटर लेबोरेटरी (फर्मिलैब), कैलटेक, नासा के जेट प्रोपल्शन लेबोरेटरी (जो कैलटेक द्वारा प्रबंधित किया जाता है) के शोधकर्ताओं ने, और अन्य सहयोगी संस्थानों ने एक उपन्यास उच्च-ऊर्जा कण का पता लगाने वाले उपकरणों को विकसित किया है जो सटीक रूप से पता लगाने वाले एकल कणों की शक्ति का लाभ उठाते हैं।

कैलटेक में भौतिकी के शांग-यी चेन प्रोफेसर मारिया स्पाइरोपुलु कहते हैं, “अगले 20 से 30 वर्षों में, हम कण कोलाइडर्स में एक प्रतिमान बदलाव देखेंगे क्योंकि वे ऊर्जा और तीव्रता में अधिक शक्तिशाली हो जाते हैं।” “और इसका मतलब है कि हमें अधिक सटीक डिटेक्टरों की आवश्यकता है। यही कारण है कि हम आज क्वांटम तकनीक विकसित कर रहे हैं। हम नए कणों और अंधेरे पदार्थ के लिए अगली पीढ़ी की खोजों को अनुकूलित करने के लिए, और अंतरिक्ष और समय की उत्पत्ति का अध्ययन करने के लिए अपने टूलबॉक्स में क्वांटम सेंसिंग को शामिल करना चाहते हैं।”

में रिपोर्टिंग इंस्ट्रूमेंटेशन जर्नलअनुसंधान टीम, जिसमें वेनेजुएला में जिनेवा विश्वविद्यालय और यूनिवर्सिडाड सांता मारिया में सहयोगी भी शामिल हैं, ने अपनी नई तकनीक का परीक्षण किया, जिसे सुपरकंडक्टिंग माइक्रोवायर सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर (एसएमएसपीडी) कहा जाता है, जो पहली बार शिकागो के पास फर्मिलैब में है। उन्होंने क्वांटम सेंसर को प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉनों और पायन के उच्च-ऊर्जा बीमों के लिए उजागर किया, और प्रदर्शित किया कि पारंपरिक डिटेक्टरों की तुलना में बेहतर समय और स्थानिक संकल्प के साथ कणों का पता लगाने में सेंसर अत्यधिक कुशल थे।

यह भविष्य के कण भौतिकी प्रयोगों के लिए उन्नत डिटेक्टरों को विकसित करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है, फर्मिलाब के एक वैज्ञानिक सह-लेखक सी झाई कहते हैं, जो एक शोध वैज्ञानिक के रूप में कैलटेक में एक संयुक्त नियुक्ति रखते हैं। “यह सिर्फ शुरुआत है,” वे कहते हैं। “हमारे पास द्रव्यमान में कम कणों का पता लगाने की क्षमता है, जैसा कि हम पहले कर सकते थे और साथ ही विदेशी कणों जैसे कि अंधेरे पदार्थ का गठन कर सकते हैं।”

अध्ययन में उपयोग किए जाने वाले क्वांटम सेंसर सेंसर के संबंधित परिवार के समान हैं (जिसे सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर, या एसएनएसपीडी कहा जाता है), जिनमें क्वांटम नेटवर्क और एस्ट्रोनॉमी प्रयोगों में एप्लिकेशन होते हैं। उदाहरण के लिए, जेपीएल के शोधकर्ता-जो इन सेंसर को डिजाइन करने और गढ़ने के लिए दुनिया के शीर्ष विशेषज्ञों में से हैं-हाल ही में उन्हें डीप स्पेस ऑप्टिकल संचार प्रयोग में इस्तेमाल किया, एक प्रौद्योगिकी प्रदर्शन जो लेज़रों का उपयोग करके उच्च-परिभाषा डेटा को अंतरिक्ष से जमीन तक प्रसारित करने के लिए उपयोग करता था।

स्पिरोपुलु, XIE, और फर्मिलैब, कैलटेक और जेपीएल के अन्य वैज्ञानिकों ने भी क्वांटम नेटवर्किंग प्रयोगों में एसएनएसपीडी सेंसर का उपयोग किया है, जिसमें उन्होंने लंबी दूरी पर जानकारी को टेलीपोर्ट किया है – भविष्य में एक क्वांटम इंटरनेट विकसित करने में एक महत्वपूर्ण कदम। इंटेलिजेंट क्वांटम नेटवर्क्स एंड टेक्नोलॉजीज (INQNET) नामक उस कार्यक्रम को 2017 में कैलटेक और एटी एंड टी द्वारा संयुक्त रूप से स्थापित किया गया था।

कण भौतिकी परीक्षणों के लिए, शोधकर्ताओं ने एसएनएसपीडी के बजाय एसएमएसपीडी का उपयोग किया, क्योंकि उनके पास कणों के स्प्रे को इकट्ठा करने के लिए एक बड़ा सतह क्षेत्र है। उन्होंने पहली बार चार्ज किए गए कणों का पता लगाने के लिए सेंसर का उपयोग किया, एक क्षमता जो क्वांटम नेटवर्क या खगोल विज्ञान अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक नहीं है, लेकिन कण भौतिकी प्रयोगों के लिए आवश्यक है। “इस अध्ययन की नवीनता यह है कि हमने साबित किया कि सेंसर कुशलता से चार्ज किए गए कणों का पता लगा सकते हैं,” ज़ी कहते हैं।

SMSPD सेंसर भी अंतरिक्ष और समय दोनों में अधिक सटीक रूप से कणों का पता लगा सकते हैं। “हम उन्हें 4 डी सेंसर कहते हैं क्योंकि वे एक ही बार में बेहतर स्थानिक और समय संकल्प प्राप्त कर सकते हैं,” ज़ी कहते हैं। “आम तौर पर कण भौतिकी प्रयोगों में, आपको सेंसर को या तो अधिक सटीक समय या स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के लिए ट्यून करना होगा, लेकिन दोनों एक साथ नहीं।”

जब शोधकर्ता उच्च गति वाले टकरावों से बाहर निकलने वाले कणों के गुच्छों का विश्लेषण करते हैं, तो वे अंतरिक्ष और समय में अपने रास्तों का सटीक पता लगाने में सक्षम होना चाहते हैं। एक सादृश्य के रूप में, कल्पना करें कि आप विभिन्न ट्रेनों से ग्रैंड सेंट्रल स्टेशन में बाढ़ वाले लोगों की भीड़ में छिपने वाले एक संदिग्ध व्यक्ति को ट्रैक करने के लिए सुरक्षा छवियों का उपयोग करना चाहते हैं। आप चाहते हैं कि छवियों को व्यक्तियों को ट्रैक करने के लिए पर्याप्त स्थानिक संकल्प हो। लेकिन आप यह सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त समय संकल्प भी चाहते हैं कि आप अपनी रुचि के व्यक्ति को पकड़ लें। यदि आप केवल हर 10 सेकंड में ली गई छवियों को प्राप्त कर सकते हैं, तो आप व्यक्ति को याद कर सकते हैं, लेकिन यदि आपके पास हर सेकंड पर कब्जा कर लिया गया है, तो आपके पास बेहतर बाधाएं होंगी।

“इन टकरावों में, आप प्रति सेकंड लाखों घटनाओं के प्रदर्शन को ट्रैक करना चाह सकते हैं,” स्पिरोपुलु कहते हैं। “आप सैकड़ों इंटरैक्शन के साथ बह गए हैं, और सटीकता के साथ प्राथमिक बातचीत को खोजना मुश्किल हो सकता है। 1980 के दशक में, हमने सोचा कि स्थानिक निर्देशांक पर्याप्त थे, लेकिन अब, जैसा कि कण टकराव अधिक तीव्र हो जाते हैं, अधिक कणों का उत्पादन करते हैं, हमें समय को ट्रैक करने की भी आवश्यकता होती है।”

“हम SMSPDs की तरह अत्याधुनिक डिटेक्टर R & D पर काम करने के लिए बहुत उत्साहित हैं क्योंकि वे क्षेत्र में कैपस्टोन परियोजनाओं में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकते हैं जैसे कि नियोजित भविष्य के सर्कुलर कोलाइडर या एक MUON COLLIDER, Fermilab साइंटिस्ट और कैलटेक के पूर्व छात्र क्रिस्टीन पेना (PHD ’17) का नेतृत्व करते हैं, जो कि कई संस्थागत हैं। स्तर।”

अध्ययन, “उच्च ऊर्जा कण का पता लगाने के साथ बड़े क्षेत्र के सुपरकंडक्टिंग माइक्रोवायर सरणी के साथ,” यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी डिपार्टमेंट, फर्मिलाब, नेशनल एजेंसी फॉर रिसर्च एंड डेवलपमेंट (एएनआईडी) द्वारा चिली में और फेडरिको सांता मारिया टेक्निकल यूनिवर्सिटी द्वारा वित्त पोषित किया गया था। अन्य कैलटेक लेखकों में पूर्व स्नातक छात्र क्रिस्टीना वांग (पीएचडी ’24), अनुसंधान वैज्ञानिक आदि बोर्नहेम, पोस्टडॉक एंड्रयू म्यूलर (पीएचडी ’24), और स्नातक छात्र साहिल पटेल (MS ’22) शामिल हैं। अन्य जेपीएल लेखक बोरिस कोरज़ (अब जिनेवा विश्वविद्यालय में प्रोफेसर), जेमी लुस्किन और मैथ्यू शॉ हैं।