Les physiciens exploitent le monde étrange des capteurs quantiques pour révolutionner la détection de particules dans la prochaine génération d’expériences à haute énergie.
Ces nouveaux détecteurs supraconducteurs offrent non seulement une résolution spatiale plus nette, mais peuvent également suivre les événements dans le temps —essentiel pour décoder les collisions chaotiques de particules. En exploitant les technologies quantiques de pointe initialement développées pour l’astronomie et les réseaux, les chercheurs font d’énormes progrès vers l’identification de particules auparavant indétectables, y compris des composants potentiels de la matière noire.
Libérer l’univers avec des collisionneurs de particules
Pour mieux comprendre la nature fondamentale de la matière, de l’énergie, de l’espace et du temps, les physiciens utilisent des machines puissantes appelées accélérateurs de particules. Ces machines entrent en collision avec des particules de haute énergie, créant des explosions de millions de nouvelles particules, chacune avec des masses et des vitesses différentes, chaque seconde. Parfois, ces collisions produisent même des particules qui ne correspondent pas au modèle standard, la principale théorie qui explique les éléments de base de l’univers.
Aujourd’hui, les chercheurs envisagent de construire des accélérateurs encore plus puissants, capables de générer des collisions encore plus intenses. Mais avec toute cette complexité, comment les scientifiques peuvent-ils faire le tri dans le chaos subatomique qui en résulte ?
Les capteurs quantiques : une avancée décisive
La clé pourrait être les capteurs quantiques. Scientifiques aux États-Unis. Le Fermilab du ministère de l’Énergie, Caltech, le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA et d’autres institutions développent un nouveau type de système de détection de particules qui utilise des capteurs quantiques, des dispositifs extra-sensibles capables de détecter des particules individuelles avec une grande précision.
“Dans les 20 à 30 prochaines années, nous assisterons à un changement de paradigme dans les collisionneurs de particules à mesure qu’ils deviendront plus puissants en énergie et en intensité”, explique Maria Spiropulu, professeur Shang-Yi Ch’en de physique à Caltech. “Et cela signifie que nous avons besoin de détecteurs plus précis. C’est pourquoi nous développons aujourd’hui la technologie quantique. Nous souhaitons inclure la détection quantique dans notre boîte à outils pour optimiser les recherches de nouvelle génération de nouvelles particules et de matière noire, et pour étudier les origines de l’espace et du temps.”
Le premier test réel de détecteurs quantiques
Dans un article publié dans le Journal of Instrumentation, l’équipe de recherche, qui comprend également des collaborateurs de l’Université de Genève et de l’Université technique Federico Santa María au Chili, a testé pour la première fois sa nouvelle technologie, appelée détecteurs monophotoniques à microfils supraconducteurs (SMSPD), au Fermilab près de Chicago. Ils ont exposé les capteurs quantiques à des faisceaux de protons, d’électrons et de pions à haute énergie et ont démontré que les capteurs étaient très efficaces pour détecter les particules avec une résolution temporelle et spatiale améliorée par rapport aux détecteurs traditionnels.
Il s’agit d’une étape importante vers le développement de détecteurs avancés pour les futures expériences de physique des particules, déclare le co-auteur Si Xie, scientifique au Fermilab qui occupe un poste conjoint au Caltech en tant que chercheur scientifique. “Ce n’est que le début”, dit-il. “Nous avons le potentiel de détecter des particules de masse inférieure à celle que nous pouvions auparavant ainsi que des particules exotiques comme celles qui peuvent constituer de la matière noire.”
Les nouvelles capacités pour la physique des particules
Pour les tests de physique des particules, les chercheurs ont utilisé des SMSPD plutôt que des SNSPD, car ils ont une plus grande surface pour collecter les pulvérisations de particules. Ils ont utilisé les capteurs pour détecter pour la première fois des particules chargées, une capacité qui n’est pas nécessaire pour les réseaux quantiques ou les applications astronomiques mais qui est essentielle pour les expériences de physique des particules. “La nouveauté de cette étude est que nous avons prouvé que les capteurs peuvent détecter efficacement les particules chargées”, explique Xie.
Les capteurs SMSPD peuvent également détecter plus précisément les particules dans l’espace et dans le temps. “Nous les appelons capteurs 4D car ils peuvent atteindre une meilleure résolution spatiale et temporelle à la fois”, explique Xie. “Normalement, dans les expériences de physique des particules, vous devez régler les capteurs pour avoir une résolution temporelle ou spatiale plus précise, mais pas les deux simultanément.”
Pourquoi la 4D est importante dans le suivi des particules
Lorsque les chercheurs analysent les amas de particules qui s’envolent à la suite de collisions à grande vitesse, ils souhaitent pouvoir retracer avec précision leur trajectoire dans l’espace et dans le temps. Par analogie, imaginez que vous souhaitiez utiliser des images de sécurité pour suivre une personne suspecte cachée dans une foule de personnes affluant vers la gare Grand Central depuis divers trains. Vous voudriez que les images aient une résolution spatiale suffisante pour suivre les individus. Mais vous voudriez également une résolution temporelle suffisante pour vous assurer d’attraper votre personne d’intérêt. Si vous ne pouvez obtenir des images prises que toutes les 10 secondes, vous risquez de manquer la personne, mais si vous avez des photos prises toutes les secondes, vous aurez de meilleures chances.
“Dans ces collisions, vous souhaiterez peut-être suivre les performances de millions d’événements par seconde”, explique Spiropulu. “Vous êtes submergé de centaines d’interactions et il peut être difficile de trouver les interactions principales avec précision. Dans les années 1980, nous pensions qu’avoir les coordonnées spatiales était suffisant, mais maintenant, à mesure que les collisions de particules deviennent plus intenses, produisant plus de particules, nous devons également suivre le temps.”
