광자에서 양성자까지: 팀, 고에너지 입자 감지에 획기적인 진전

입자 검출기는 우주의 기본 구성 요소에 대한 이해에 중요한 역할을 합니다. 이를 통해 과학자들은 고에너지 충돌에서 생성된 입자의 거동과 특성을 연구할 수 있습니다. 이러한 입자는 대형 가속기에서 빛의 속도에 가깝게 가속된 다음 표적이나 다른 입자에 부딪혀 검출기로 분석됩니다. 그러나 기존 검출기는 특정 유형의 연구에 필요한 감도와 정밀도가 부족합니다.

미국 에너지부(DOE) 산하 아르곤 국립 연구소의 연구원들은 DOE 페르미 국립 가속기 연구소(페르미랩)의 테스트 빔 시설에서 수행한 최근 실험을 통해 고에너지 입자 감지 분야에서 중요한 돌파구를 마련했습니다.

그들은 이미 광자, 즉 빛의 기본 입자를 감지하는 데 사용되는 초전도 나노와이어 광자 검출기(SNSPD)에 대한 새로운 용도를 발견했습니다. 이 놀라울 정도로 민감하고 정밀한 검출기는 개별 광자를 흡수하여 작동합니다.

흡수는 매우 낮은 온도에서 초전도 나노와이어에 작은 전기적 변화를 생성하여 광자를 감지하고 측정할 수 있게 합니다. 개별 광자를 감지할 수 있는 특수 장치는 양자 암호화(정보를 비밀로 유지하고 안전하게 유지하는 과학), 고급 광학 감지(빛을 사용한 정밀 측정) 및 양자 컴퓨팅에 필수적입니다.

이 연구에서 연구팀은 이러한 광자 센서가 입자 가속기에서 발사체로 사용되는 고에너지 양성자에 대해 특히 매우 정확한 입자 검출기로도 기능할 수 있다는 것을 발견했습니다. 모든 원소의 원자핵에서 발견되는 양성자는 양전하를 띤 입자입니다.

이 팀의 획기적인 성과는 핵물리학 및 입자물리학 분야에 흥미로운 기회를 열어주었습니다.

Argonne 물리학자 휘트니 암스트롱은 "이것은 이 기술을 처음으로 사용한 사례입니다."라고 말했습니다.

"이 단계는 이 기술이 일반적으로 광자를 대상으로 하기 때문에 우리가 원하는 방식으로 작동한다는 것을 보여주는 데 중요했습니다. 이는 미래의 고충격 응용 프로그램을 위한 핵심 시연이었습니다."

연구팀은 다양한 와이어 크기를 가진 SNSPD를 만들고 페르미랩에서 120GeV 양성자 빔으로 테스트했습니다. 페르미랩은 이 실험을 수행할 수 있는 가장 가까운 시설이었습니다. 이러한 고에너지 양성자는 연구자들이 고에너지 물리 실험에서 SNSPD가 작동할 수 있는 조건을 시뮬레이션하고 연구할 수 있게 해주기 때문에 중요하며, 그 기능과 한계에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다.

그들은 400나노미터보다 작은 와이어 폭(인간 머리카락의 폭은 약 100,000나노미터)이 고에너지 양성자 감지에 필요한 높은 감지 효율을 입증한다는 것을 발견했습니다. 또한 이 연구는 이 응용 분야에 대한 최적의 와이어 크기가 약 250나노미터라는 것을 밝혀냈습니다.

SNSPD는 민감도와 정밀도 외에도 높은 자기장에서도 잘 작동하여 입자 속도를 높이기 위해 가속기에서 사용되는 초전도 자석에 사용하기에 적합합니다. SNSPD로 고에너지 양성자를 감지하는 능력은 이전에 보고된 적이 없으며, 이 획기적인 발견은 입자 감지 응용 분야의 범위를 넓힙니다.

"이것은 광자 검출을 위한 양자 과학과 실험 핵물리학 간의 성공적인 기술 이전이었습니다." Argonne 물리학자 토마스 폴라코비치가 말했습니다. "우리는 광자 감지 장치를 가져와 자기장과 입자에서 더 잘 작동하도록 약간 변경했습니다. 그리고 보세요, 우리는 예상했던 대로 입자를 정확히 보았습니다."

이 연구는 또한 DOE의 브룩헤이븐 국립 연구소에 건설 중인 최첨단 입자 가속기 시설인 전자-이온 충돌기(EIC)에서 이 기술을 사용할 수 있는 가능성을 보여줍니다. EIC는 전자를 양성자와 원자핵(이온)과 충돌시켜 원자핵의 양성자와 중성자를 구성하는 쿼크와 ​​글루온을 포함하여 이러한 입자의 내부 구조를 더 잘 살펴볼 것입니다.

EIC에는 민감하고 정밀한 검출기가 필요하며, SNSPD는 EIC 내부 충돌에서 생성된 결과 입자를 포착하고 분석하는 데 귀중한 도구가 될 것입니다. Argonne의 물리학 박사후 연구원인 Sangbaek Lee는 "Fermilab에서 테스트한 양성자 에너지 범위는 EIC에서 감지할 이온 에너지 범위의 중간에 있으므로 이러한 테스트가 적합했습니다."라고 말했습니다.

연구팀은 Argonne의 DOE 과학국 사용자 시설인 나노스케일 재료 센터의 반응성 이온 에칭 도구를 활용했습니다.

이 작업에 기여한 다른 사람으로는 앨런 디보스, 티머시 드레허, 나다니엘 파스티카, 제인-에딘 메지아니, 발렌틴 노보사드가 있습니다.

이 연구의 결과는 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A 에 게재되었습니다. 이 연구는 DOE Office of Science, Office of Nuclear Physics에서 자금을 지원했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250211134156.htm