차세대 입자물리학 실험을 위한 양자 센서 테스트 완료

물질, 에너지, 공간, 시간의 본질을 더 자세히 알아보기 위해 물리학자들은 대형 가속기에서 고에너지 입자들을 충돌시켜 초당 수백만 개의 다양한 질량과 속도를 가진 입자들을 뿜어냅니다. 이러한 충돌은 또한 우리 우주의 기본 입자와 힘에 대한 지배적인 이론인 표준 모형에서 예측하지 못했던 완전히 새로운 입자들을 생성할 수도 있습니다. 더 강력한 입자 가속기를 개발하려는 계획이 진행 중이며, 이러한 가속기의 충돌은 더 큰 아원자 폭풍을 일으킬 것입니다. 연구자들은 이 혼돈을 어떻게 헤쳐나갈까요?

그 해답은 양자 센서에 있을지도 모릅니다. 미국 에너지부 산하 페르미 국립 가속기 연구소(Fermilab), 캘리포니아 공과대학(Caltech), NASA 제트 추진 연구소(Caltech에서 운영) 및 기타 협력 기관의 연구원들은 양자 센서, 즉 단일 입자를 정밀하게 감지할 수 있는 장치의 힘을 활용하는 새로운 고에너지 입자 감지 계측 기법을 개발했습니다.

"향후 20~30년 안에 입자 충돌기의 에너지와 강도가 더욱 강력해지면서 패러다임이 전환될 것입니다."라고 칼텍(Caltech)의 샹이첸(Shang-Yi Chen) 물리학 교수인 마리아 스피로풀루(Maria Spiropulu)는 말합니다. "즉, 더욱 정밀한 검출기가 필요하다는 뜻입니다. 이것이 바로 우리가 현재 양자 기술을 개발하는 이유입니다. 새로운 입자와 암흑 물질에 대한 차세대 탐색을 최적화하고 공간과 시간의 기원을 연구하기 위해 양자 감지 기술을 우리의 도구 상자에 포함시키고자 합니다."

제네바 대학교와 베네수엘라 산타마리아 대학교의 공동 연구진도 포함된 연구팀은 Journal of Instrumentation 에 발표한 논문에서 시카고 인근 페르미랩에서 초전도 마이크로와이어 단일 광자 검출기(SMSPD)라는 신기술을 처음으로 시험했습니다. 연구팀은 양자 센서를 고에너지 양성자, 전자, 파이온 빔에 노출시켰고, 이 센서가 기존 검출기보다 향상된 시간 및 공간 분해능으로 입자를 매우 효율적으로 검출한다는 것을 입증했습니다.

이는 미래 입자물리학 실험을 위한 첨단 검출기 개발을 향한 중요한 진전이라고 페르미랩의 과학자이자 캘리포니아 공과대학(Caltech)의 연구 과학자 겸 공동 연구자인 시 시(Si Xie)는 말했습니다. "이것은 시작에 불과합니다."라고 그는 말했습니다. "우리는 이전보다 질량이 작은 입자뿐만 아니라 암흑 물질을 구성할 수 있는 특이한 입자도 검출할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다."

이 연구에 사용된 양자 센서는 양자 네트워크와 천문학 실험에 응용되는 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기(SNPD)라고 불리는 관련 센서군과 유사합니다. 예를 들어, 이러한 센서 설계 및 제작 분야에서 세계 최고 수준의 전문가로 손꼽히는 JPL 연구진은 최근 레이저를 사용하여 우주에서 지상으로 고화질 데이터를 전송하는 기술 시연인 심우주 광통신(Deep Space Optical Communications) 실험에 이 센서를 사용했습니다.

스피로풀루, 시에, 그리고 페르미랩, 칼텍, 그리고 제트추진연구소의 다른 과학자들도 SNSPD 센서를 양자 네트워킹 실험에 활용하여 정보를 장거리 순간이동시켰습니다. 이는 미래 양자 인터넷 개발에 중요한 단계입니다. 지능형 양자 네트워크 및 기술(INQNET)이라는 이름의 이 프로그램은 2017년 칼텍과 AT&T가 공동으로 설립했습니다.

입자물리학 실험에서 연구진은 SNSPD 대신 SMSPD를 사용했습니다. SMSPD는 입자 분사를 포집하는 데 더 넓은 표면적을 제공하기 때문입니다. 연구진은 이 센서를 사용하여 최초로 대전 입자를 감지했습니다. 이는 양자 네트워크나 천문학 응용 분야에는 필요하지 않지만 입자물리학 실험에는 필수적인 기능입니다. 시에(Xie)는 "이 연구의 참신함은 센서가 대전 입자를 효율적으로 감지할 수 있다는 것을 증명했다는 점입니다."라고 말했습니다.

SMSPD 센서는 공간과 시간 모두에서 입자를 더욱 정밀하게 감지할 수 있습니다. "4D 센서라고 부르는 이유는 더 나은 공간적 및 시간적 분해능을 동시에 얻을 수 있기 때문입니다."라고 Xie는 말합니다. "일반적으로 입자물리학 실험에서는 센서를 더 정확한 시간 또는 공간적 분해능을 갖도록 조정해야 하지만, 동시에 두 가지를 모두 조정할 수는 없습니다."

연구자들은 고속 충돌로 인해 날아오는 입자 뭉치를 분석할 때, 시공간적으로 입자의 경로를 정확하게 추적하고자 합니다. 비유하자면, 여러 열차에서 그랜드 센트럴 역으로 몰려드는 사람들 속에 숨어 있는 수상한 사람을 추적하기 위해 보안 이미지를 사용한다고 가정해 보겠습니다. 이미지는 각 개인을 추적할 수 있을 만큼 충분한 공간 해상도를 가져야 합니다. 또한, 관심 있는 사람을 확실히 포착할 수 있을 만큼 충분한 시간 해상도도 필요합니다. 10초마다 촬영된 이미지만 확보할 수 있다면 그 사람을 놓칠 수도 있지만, 매초마다 촬영된 이미지를 확보할 수 있다면 더 높은 확률로 그 사람을 잡을 수 있을 것입니다.

"이러한 충돌에서는 초당 수백만 건의 이벤트 성능을 추적하고 싶을 수 있습니다."라고 스피로풀루는 말합니다. "수백 개의 상호작용에 휩싸여 있기 때문에 주요 상호작용을 정확하게 찾아내는 것이 어려울 수 있습니다. 1980년대에는 공간 좌표만 있으면 충분하다고 생각했지만, 이제는 입자 충돌이 더욱 격렬해지고 더 많은 입자가 생성됨에 따라 시간 추적도 필요합니다."

"SMPD와 같은 최첨단 검출기 R&D에 참여하게 되어 매우 기쁩니다. SMSPD는 미래 원형 충돌기(Future Circular Collider)나 뮤온 충돌기와 같은 이 분야의 캡스톤 프로젝트에서 중요한 역할을 할 수 있기 때문입니다."라고 연구를 이끈 페르미랩 과학자이자 캘리포니아 공과대학(Caltech) 동문인 크리스티안 페냐(Ph.D. '17)는 말했습니다. "또한 여러 기관에 걸쳐 세계적인 수준의 팀을 구성하여 이 새로운 연구를 한 단계 더 발전시킬 수 있게 되어 매우 기쁩니다."

"대면적 초전도 마이크로와이어 어레이를 이용한 고에너지 입자 검출"이라는 제목의 이 연구는 미국 에너지부, 페르미랩, 칠레 국립연구개발청(ANID), 그리고 페데리코 산타 마리아 공과대학교의 지원을 받았습니다. 칼텍(Caltech)의 다른 저자로는 전 대학원생 크리스티나 왕(Christina Wang, 박사 24), 연구 과학자 아디 본하임(Adi Bornheim), 박사후연구원 앤드류 뮐러(Andrew Mueller, 박사 24), 그리고 대학원생 사힐 파텔(Sahil Patel, 석사 22)이 있습니다. JPL의 다른 저자로는 보리스 코르즈(Boris Korzh, 현 제네바 대학교 교수), 제이미 루스킨(Jamie Luskin), 그리고 매튜 쇼(Matthew Shaw)가 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250424165659.htm