En la intersección de la ciencia cuántica y la física de partículas de alta energía, los avances en el desarrollo y prueba de detectores de fotón único con microcables superconductores (SMSPD) tienen el potencial de mejorar la capacidad de detectar partículas de alta energía en experimentos de física de partículas.
La búsqueda para comprender la física de partículas y la física de partículas de alta energía, los componentes fundamentales del universo, está alcanzando nuevas alturas con avances revolucionarios en la ciencia y la tecnología cuánticas (QST). Esta convergencia de campos está creando oportunidades sin precedentes, particularmente en instrumentación, diseño de detectores y exploración de la física más allá del modelo estándar (BSM). Los sensores superconductores optimizados para la detección de partículas cargadas (SNSPD) mejoran drásticamente la capacidad de realizar tomografía cuántica en un colisionador, lo que permite una detección detallada del entrelazamiento cuántico y ofrece el potencial para el descubrimiento único de partículas del sector oscuro.
La intersección del QIS y la física de altas energías
La sinergia entre QST y HEP se extiende más allá de las fronteras teóricas y tecnológicas. En el aspecto teórico, la ciencia de la información cuántica proporciona estímulo intelectual para modelos innovadores que abordan cuestiones profundas sobre el universo cuántico. Esto incluye el desarrollo de modelos de teoría de campos basados en entrelazamientos, la exploración de redes tensoriales y el tratamiento de cuestiones como la decoherencia. Los conceptos de física de agujeros negros, correspondencia holográfica y corrección de errores cuánticos se han unido para proporcionar una comprensión más profunda del universo en su nivel más fundamental.
Es importante destacar que esta superposición de tecnologías se centra en el uso de mediciones cuánticas para detectar señales extremadamente débiles características de la nueva física. Las búsquedas tradicionales de materia oscura, como el paradigma de partículas grandes que interactúan débilmente (WIMP), se basaban en principios de dispersión tradicionales. Sin embargo, la búsqueda de candidatos a materia oscura más ligera y nuevas partículas de BSM requiere la sensibilidad superior de los dispositivos cuánticos. Esta nueva generación de experimentos utiliza dispositivos como SQUID (dispositivos superconductores de interferencia cuántica), sensores de borde de transición (TES), inductores cinéticos de microondas (MKID), qubits transmon y otros sensores cuánticos para buscar axiones, fotones oscuros y otros fenómenos exóticos. La intersección práctica más importante en HEP basada en aceleradores, y el enfoque de este artículo, es el desarrollo de detectores de próxima generación que exploten los efectos cuánticos para lograr una precisión sin precedentes, utilizando el ejemplo reciente de los conjuntos SMSPD.
Avance en detección: pruebas iniciales de SMSPD en Fermilab
La detección de partículas de alta energía como protones, electrones y piones es una piedra angular de la física de partículas, pero los detectores tradicionales a menudo luchan con los requisitos simultáneos de alta sensibilidad, excelente resolución espacial y resolución temporal a nivel de picosegundos. La tecnología del detector de fotón único de nanocables superconductores (SNSPD) tiene el potencial de revolucionar la ciencia de la información cuántica y la astronomía y proporcionar soluciones con su umbral de energía ultrabajo y su sincronización excepcional.
Para cerrar la brecha entre la pequeña área activa de los SNSPD tradicionales y las necesidades de los experimentos con aceleradores a gran escala, investigadores de Fermilab, Caltech y JPL han desarrollado un dispositivo mejorado, la matriz SMSPD. Estos dispositivos utilizan cables superconductores de un micrómetro de ancho para crear áreas activas que miden milímetros cuadrados. Se trata de un importante esfuerzo de ampliación.
La primera caracterización detallada de matrices SMSPD utilizando partículas energéticas GeV se publicó en el Journal of Instrumentation (JINST 20 P03001) en 2025. En este estudio fundamental, las matrices SMSPD fabricadas con cables de 1,5 μm de ancho sobre películas de siliciuro de tungsteno (WSi) de 3 nm se expusieron a 120 GeV de protones y 8 GeV de electrones y piones en el laboratorio. Instalación de haz de prueba de Fermilab (FTBF). Los hallazgos clave de esta investigación pionera incluyen:
La eficiencia de detección normalizada por el factor de llenado es del 60%. La resolución temporal fue de 1,15 ns, lo que demuestra el potencial de esta técnica para la sincronización precisa en HEP. El uso de un telescopio de seguimiento de silicio dio como resultado una resolución espacial precisa de 30 μm para protones y 130 μm para electrones y piones.
Avances en tecnología de punta: Seguimiento del haz de pruebas del CERN
El éxito del Fermilab aceleró la investigación de seguimiento en la línea de luz H6 del sincrotrón superprotón (SPS) del CERN, una instalación internacional de primer nivel. Este trabajo posterior se detalla en la preimpresión de arXiv «Hacia la detección de partículas de alta eficiencia utilizando matrices de microcables superconductores (arXiv:2510.11725)» y se centra en mejorar el diseño de sensores.
En esta colaboración se caracterizó una nueva matriz SMSPD de 8 píxeles y 1×1 mm2. El sensor presenta una película WSi optimizada de 4,7 nm más gruesa y cables más estrechos de 1 μm de ancho destinados a mejorar tanto la eficiencia de la detección como la precisión de la sincronización. El dispositivo fue probado con hadrones de 120 GeV y muones de 120 GeV.
Los resultados de la prueba del CERN demostraron mejoras significativas en el rendimiento y solidificaron la posición de SMSPD como candidato líder para detectores de próxima generación.
Eficiencia de detección mejorada: la eficiencia de detección normalizada por el factor de llenado medido aumentó a aproximadamente 75 %. Sincronización precisa: la resolución temporal se midió a 130 ps en todo el conjunto, una mejora significativa con respecto a los 1,5 ns logrados en las pruebas iniciales de Fermilab. Detección de muones: este estudio también proporcionó las primeras mediciones de eficiencia de detección de muones mediante SMSPD.
Estos descubrimientos representan un paso importante hacia el desarrollo de sistemas de seguimiento de partículas cargadas altamente eficientes con una sincronización simultánea y precisa. Estos detectores son esenciales para futuros experimentos basados en aceleradores, como el Colisionador de iones de electrones (EIC), el Futuro colisionador circular (FCC-ee/hh) y el Colisionador de muones.
El camino hacia un futuro cuántico: el programa INQNET
Los avances tecnológicos en sensores superconductores que se analizan aquí no son proyectos aislados, sino que forman parte de una visión estratégica más amplia y de largo plazo para integrar las tecnologías cuánticas en la ciencia básica, representada por el programa de investigación de Redes y Tecnologías Cuánticas Inteligentes (INQNET).
INQNET fue cofundada en 2017 por el Instituto de Tecnología de California (Caltech) y AT&T. La fortaleza de este programa radica en su modelo colaborativo único, que reúne a instituciones clave del mundo académico, la industria y los laboratorios nacionales. Fermilab (FNAL) y el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA, administrado por el Instituto de Tecnología de California, fueron los primeros miembros fundadores clave de esta colaboración.
La asociación aprovecha las fortalezas de cada miembro: la industria para la rápida asignación y expansión de recursos, la academia para la investigación básica y los laboratorios nacionales para la infraestructura y el despliegue a gran escala y otras capacidades experimentales.
La misión principal de INQNET es acelerar el desarrollo de tecnologías de comunicaciones y redes cuánticas híbridas escalables, con un enfoque inicial en redes y comunicaciones cuánticas. Este programa ayudó a establecer bancos de pruebas de redes cuánticas como Fermilab Quantum Network (FQNET), que demostró la teletransportación cuántica de alta fidelidad a través de fibras ópticas. Estas tecnologías de sensores, las mismas que ahora han demostrado ser capaces de detectar partículas de alta energía, se desarrollaron originalmente en el JPL y se pusieron en funcionamiento en el laboratorio INQNET-Caltech. Esto pone de relieve la profunda conexión entre la detección cuántica de HEP y los esfuerzos más amplios para construir una Internet cuántica.
Este tipo de programa de consorcio proporciona el marco de investigación y desarrollo tecnológico necesario para convertir los fundamentos de la física cuántica en tecnologías funcionales y avanzadas. Un desafío y una oportunidad abiertos es cómo integrar mejor esta investigación en la próxima generación de experimentos que prometen nuevos descubrimientos sobre las propiedades fundamentales de la materia, la energía, el espacio y el tiempo.
Este artículo también se publicará en el número 24 de la revista trimestral.
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