El futuro de los colisionadores: sensores cuánticos verán lo que antes era invisible

Para comprender mejor la naturaleza de la materia, la energía, el espacio y el tiempo, los físicos hacen colisionar partículas a velocidades cercanas a la de la luz en aceleradores, generando flujos de millones de partículas de distintas masas y energías cada segundo. Estas colisiones pueden dar lugar a nuevas partículas no previstas por el Modelo Estándar. Ya se están desarrollando aceleradores más potentes, pero ¿cómo interpretar el caos que surge de estas interacciones?

La respuesta podría estar en la sensórica cuántica. Investigadores del laboratorio nacional Fermilab, el Instituto Tecnológico de California (Caltech), el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA (JPL, gestionado por Caltech) y otras instituciones han presentado un nuevo enfoque para detectar partículas de alta energía mediante sensores cuánticos: dispositivos capaces de registrar partículas individuales con extrema precisión.

«En los próximos 20–30 años, seremos testigos de un cambio de paradigma: los colisionadores aumentarán en energía e intensidad», explica Maria Spiropulu, profesora de física en Caltech. «Eso exige detectores más precisos. Por eso estamos desarrollando ya tecnologías cuánticas que nos permitirán buscar nuevas partículas, materia oscura y estudiar el origen del espacio y el tiempo».

En un artículo publicado en Journal of Instrumentation se detallan las primeras pruebas de esta nueva tecnología —detectores fotónicos superconductores de microhilo (SMSPD)— realizadas en una instalación experimental de Fermilab. Los sensores fueron sometidos a haces de protones, electrones y piones, y demostraron una eficacia notable: su precisión temporal y espacial superó a la de los sensores clásicos.

Este es un paso importante hacia la creación de detectores más avanzados para los experimentos del futuro, señala Xi Xi, coautor e investigador en Fermilab y Caltech. «Esto es solo el comienzo. Estamos obteniendo la capacidad de detectar partículas de masas más pequeñas, así como exóticas, incluyendo candidatas a materia oscura».

La instalación experimental incorporaba un telescopio de silicio para rastrear trayectorias de partículas y un bloque de SMSPD colocado entre módulos de detectores de tiras de silicio y sensores de píxeles, lo más cerca posible del criostato. Los sensores, diseñados y fabricados en JPL, se habían utilizado hasta ahora principalmente en telecomunicaciones y astrofísica (en su variante SNSPD), incluido el proyecto Deep Space Optical Communications, que usó láseres para transmitir datos desde una nave espacial a la Tierra.

A diferencia de los SNSPD, que no son sensibles a partículas cargadas, los SMSPD tienen una mayor superficie de detección y han demostrado con éxito que pueden registrar dichas partículas —un criterio clave para la física de altas energías.

Además, los SMSPD ofrecen una mejor resolución tanto en coordenadas como en tiempo. «Los llamamos sensores 4D, porque proporcionan alta precisión tanto espacial como temporal», explica Xi Xi. Normalmente hay que escoger entre precisión temporal o espacial, pero no ambas a la vez.

Esto es crucial cuando millones de eventos ocurren cada segundo. Para rastrear la trayectoria de una partícula concreta, se requiere alta frecuencia y resolución. «En los años 80 se creía que las coordenadas bastaban. Pero ahora, con la creciente densidad de interacciones, también se necesita la dimensión temporal», añade Spiropulu.

«Nos entusiasma trabajar en desarrollos tan avanzados como los SMSPD. Estos sensores pueden desempeñar un papel clave en futuros megaproyectos como el Future Circular Collider o el colisionador de muones», comenta Christian Peña, de Fermilab, graduado de Caltech y líder del estudio. «Y hemos tenido la suerte de reunir un equipo excepcional de científicos de varios países para impulsar este campo».