Fysiken står just nu inför ett teknikskifte: så kallade kvantsensorer håller på att förändra hur vi upptäcker och analyserar partiklar i de mest extrema miljöerna – partikelkollisioner nära ljusets hastighet. Dessa nya sensorer, utvecklade vid bland annat Caltech, Fermilab och NASA:s Jet Propulsion Laboratory, möjliggör en precision i både rum (3D) och tid (1D) som aldrig tidigare skådats – en fyrdimensionell (4D) spårning. Med dessa innovationer öppnas helt nya möjligheter att hitta okända “spökpartiklar”, inklusive kandidater till mörk materia.
Hur fungerar de nya kvantsensorerna?
Nyckelkomponenten i denna revolution kallas “superledande mikrowire single-photon detector” (SMSPD). Till skillnad från äldre partikeldetektorer är SMSPD otroligt känslig – den klarar av att upptäcka enstaka partiklar med extrem noggrannhet, både när det gäller var och när de passerar sensorn. Tidigare har liknande sensorer använts inom astronomi och kvantkommunikation, till exempel i projekt för att sända datalaser mellan rymdfarkoster och jorden, och vid försök att teleportera information i kvantnätverk.
I de första praktiska testerna har SMSPD-experimentet visat att det går att effektivt träffa in partiklar som protoner, elektroner och pioner, vilket tidigare varit en stor utmaning vid mer intensiva kollisioner. Sensorns stora yta gör också att fler partiklar kan fångas in per sekund, samtidigt som varje partikels bana och tidpunkt loggas med högre detaljrikedom än någonsin förr.
Varför behövs 4D-spårning i framtidens kolliders?
Idag planeras ännu kraftfullare partikelacceleratorer – exempelvis Future Circular Collider och muonkolliderare – där miljontals partiklar krockar varje sekund. De ger upphov till “spraymoln” av partiklar, varav flera aldrig tidigare skådats. Ju högre energier och ju fler kollisioner, desto svårare blir det att hitta rätt bland kaoset – särskilt om man hoppas upptäcka nya, exotiska materieformer som ligger utanför dagens Standardmodell.
Tidigare har sensorer behövt välja mellan hög rumslig eller hög tidsupplösning. Med SMSPD:s fyrdimensionella metod får forskarna istället både och: man kan följa varje partikel med exakt position och tidstämpel. Det är avgörande för att kunna koppla rätt partikel till rätt kollision och för att inte missa ovanliga eller snabbt försvinnande “spökpartiklar”.
Från rymdteleskop till partikelacceleratorer
Tekniken har rötter i forskning om optisk kommunikation med rymdsonder och inom kvantnätverk, där liknande sensorer använts för att läsa av ultrasvaga ljussignaler och teleportera information. Nu lyfter forskarna över expertisen till den mycket krävande miljön i partikelacceleratorer – där resultaten redan banar väg för nästa generations instrument.
Enligt forskningsledaren Maria Spiropulu på Caltech är målet att integrera kvantsensorer i framtidens experiment – “för att på allvar kunna jaga nya partiklar och studera universums tidigaste ögonblick.”
FAKTA
- Kvantsensorer/SMSPD/SNSPD: Känsliga superledande detektorer utvecklade för att upptäcka enstaka fotoner eller laddade partiklar med både hög tids- och rumsupplösning.
- 4D-spårning: Registrering av både position (X, Y, Z) och exakta tidstämplar (T) för varje detekterat spår.
- Standardmodell: Den nuvarande fysikens teori för de minsta byggstenarna i universum – men lämnar frågor obesvarade, t.ex. om mörk materia.
- Partikelkolliderare: Maskiner för att skapa kontrollerade kollisioner mellan partiklar i mycket höga energier för att studera materiens grundstruktur.
Referenser
- Peña, C., Wang, C., Xie, S. m.fl. ”High energy particle detection with large area superconducting microwire array,” Journal of Instrumentation, 2025. DOI: 10.1088/1748-0221/20/03/P03001
- SciTechDaily.com – Catching Ghost Particles in 4D: How Quantum Sensors Are Transforming Collider Science
- Caltech News – Quantum Detectors for Particle Colliders
