4 Boyutta Hayalet Parçacıkları Yakalamak.

4 Boyutta Hayalet Parçacıkları Yakalamak: Kuantum Sensörler Çarpıştırıcı Bilimini Nasıl Dönüştürüyor?

Kuantum sensörler, fizikçilerin yüksek hızlı parçacık çarpışmalarını tespit etme şeklini yeniden tanımlıyor ve hem uzayda hem de zamanda kesin ölçümler yapılmasını sağlıyor. Bu atılım, yeni ve egzotik madde formlarının keşfedilmesinin önünü açabilir.

Fizikçiler, bir sonraki nesil yüksek enerjili deneylerde parçacık tespitini kökten değiştirmek için kuantum sensörlerinin tuhaf dünyasına adım atıyor.

Bu yeni süperiletken dedektörler, yalnızca daha kesin bir mekansal çözünürlük sunmakla kalmıyor, aynı zamanda olayları zamanda da takip edebiliyor—ki bu, kaotik parçacık çarpışmalarını çözümlemek için hayati önem taşıyor. Astronomi ve ağ teknolojileri için geliştirilen son teknoloji kuantum sistemlerini kullanan araştırmacılar, daha önce tespit edilemeyen parçacıkları (karanlık maddenin bileşenleri olabilecekler dahil) belirleme yolunda büyük ilerleme kaydediyor.

Evreni Parçacık Çarpıştırıcılarıyla Anlamak

Maddenin, enerjinin, uzayın ve zamanın temel doğasını daha iyi kavramak için fizikçiler, parçacık hızlandırıcıları adı verilen güçlü makineler kullanıyor. Bu makineler, yüksek enerjili parçacıkları çarpıştırarak saniyede milyonlarca yeni parçacık üretiyor. Bazen bu çarpışmalar, evrenin temel yapı taşlarını açıklayan önde gelen teori olan Standart Model’e bile uymayan parçacıklar ortaya çıkarabiliyor.

Şimdi araştırmacılar, daha güçlü çarpışmalar üretebilen daha gelişmiş hızlandırıcılar inşa etmeyi planlıyor. Ancak bu karmaşık süreçte, bilim insanları ortaya çıkan atomaltı kaosu nasıl analiz edecek?

Kuantum Sensörler: Hassasiyette Devrim

Çözüm, kuantum sensörler olabilir. ABD Enerji Bakanlığı’na bağlı Fermilab, Caltech, NASA’nın Jet İtki Laboratuvarı (JPL) ve diğer kurumlardaki bilim insanları, tek tek parçacıkları yüksek hassasiyetle tespit edebilen kuantum tabanlı yeni bir parçacık dedektörü sistemi geliştiriyor.

Caltech’te fizik profesörü olan Maria Spiropulu, *”Önümüzdeki 20-30 yılda, parçacık çarpıştırıcılarının enerji ve yoğunluk açısından çok daha güçlü hale gelmesiyle bir paradigma değişimi yaşanacak. Bu da daha hassas dedektörlere ihtiyaç duyacağımız anlamına geliyor. İşte bu yüzden bugün kuantum teknolojisini geliştiriyoruz. Yeni parçacıklar ve karanlık madde arayışında, uzay-zamanın kökenlerini araştırmada kuantum algılamayı araç setimize dahil etmek istiyoruz.”* diyor.

Kuantum Dedektörlerin İlk Gerçek Dünya Testi

Journal of Instrumentation’da yayınlanan çalışmada, ekip (Cenevre Üniversitesi ve Şili’deki Federico Santa María Teknik Üniversitesi’nden işbirlikçilerle birlikte), süperiletken mikrotel tek-foton dedektörleri (SMSPD) adını verdikleri teknolojiyi ilk kez Chicago yakınlarındaki Fermilab’da test etti. Sensörleri yüksek enerjili proton, elektron ve pion demetlerine maruz bıraktılar ve bu sensörlerin, geleneksel dedektörlere kıyasla zaman ve mekansal çözünürlükte belirgin bir üstünlük sergilediğini kanıtladılar.

Fermilab’da görev yapan ve Caltech’te araştırma görevlisi olan Si Xie, “Bu sadece bir başlangıç. Daha önce tespit edilemeyen düşük kütleli parçacıkları ve hatta karanlık maddeyi oluşturan egzotik parçacıkları bile gözlemleme potansiyelimiz var.” diyor.

Astronomi ve Kuantum Ağlardaki Kökenleri

Araştırmada kullanılan kuantum sensörler, kuantum ağlar ve astronomi deneylerinde kullanılan bir sensör ailesine (süperiletken nanotel tek-foton dedektörleri veya SNSPD’ler) benziyor. Örneğin, JPL’deki araştırmacılar (bu sensörlerin tasarım ve üretiminde dünyanın önde gelen uzmanları), yakın zamanda Derin Uzay Optik İletişim Deneyi’nde bunları kullandı. Bu projede, lazerlerle uzaydan yeryüzüne yüksek çözünürlüklü veri aktarımı yapıldı.

Spiropulu, Xie ve diğer bilim insanları, SNSPD’leri ayrıca kuantum ağ deneylerinde (gelecekte bir kuantum interneti geliştirmek için önemli bir adım olan uzun mesafeli bilgi ışınlama) kullandı. Bu program, 2017’de Caltech ve AT&T tarafından ortaklaşa kurulan Akıllı Kuantum Ağlar ve Teknolojiler (INQNET) projesinin bir parçasıydı.

Parçacık Fiziği İçin Yeni Yetenekler

Testlerde SNSPD’ler yerine SMSPD’ler kullanıldı, çünkü bu sensörler parçacık sağanaklarını toplamak için daha geniş bir yüzey alanına sahip. Araştırmacılar, sensörlerin yüklü parçacıkları ilk kez tespit edebildiğini gösterdi—ki bu yetenek, astronomi veya kuantum ağ uygulamalarında gerekli değil, ancak parçacık fiziği deneyleri için kritik.

Xie, “Bu çalışmanın yeniliği, sensörlerin yüklü parçacıkları verimli bir şekilde tespit edebildiğini kanıtlamamızdır.” diyor.

SMSPD sensörleri ayrıca parçacıkları hem uzayda hem de zamanda daha hassas şekilde algılayabiliyor. Xie, “Biz bunlara 4D sensörler diyoruz çünkü aynı anda daha iyi mekansal ve zaman çözünürlüğü sağlayabiliyorlar. Normalde parçacık fiziği deneylerinde sensörleri ya zaman ya da mekansal çözünürlük için optimize etmek zorundasınız, ikisini aynı anda değil.” açıklamasını yapıyor.

Neden 4 Boyut Önemli?

Yüksek hızlı çarpışmalardan saçılan parçacık demetlerini analiz ederken, araştırmacılar bu parçacıkların izlediği yolları hem uzayda hem de zamanda kesin olarak takip edebilmek istiyor. Bir benzetme yapmak gerekirse:

New York’taki Grand Central İstasyonu’na çeşitli trenlerden akan bir kalabalıkta saklanan şüpheli bir kişiyi güvenlik kameralarıyla izlemeye çalıştığınızı düşünün. Yeterli mekansal çözünürlük olmadan kişiyi takip edemezsiniz. Ancak aynı zamanda, zaman çözünürlüğü de yeterli değilse (örneğin saniyede bir kare yerine 10 saniyede bir görüntü alınıyorsa), şüpheliyi kaçırabilirsiniz.

Spiropulu, “Bu çarpışmalarda saniyede milyonlarca olayın performansını takip etmek isteyebilirsiniz. Yüzlerce etkileşimle boğuşurken, ana etkileşimleri tam olarak belirlemek zor olabilir. 1980’lerde sadece mekansal koordinatların yeterli olduğunu düşünüyorduk, ancak şimdi çarpışmalar daha yoğun hale geldikçe, zamanı da takip etmemiz gerekiyor.” diyor.

Kaynak. SciTechDaily
Haber Veriyoruz