Cientistas do Fermilab, Caltech, JPL da NASA e outras instituições estão desenvolvendo uma nova abordagem para detectar partículas subatômicas em experimentos de alta energia, utilizando sensores quânticos extremamente sensíveis. A inovação surge em resposta aos planos de construção de aceleradores mais potentes, que gerarão volumes ainda maiores de partículas em colisões.

As colisões em aceleradores produzem milhões de partículas por segundo, muitas ainda desconhecidas pela ciência. Detectá-las em meio a essa confusão exige precisão extrema. É aí que entram os sensores quânticos, capazes de registrar sinais sutis com altíssima resolução espacial e temporal — uma tecnologia promissora para revelar novos aspectos da matéria, da energia e até da origem do espaço-tempo.

A equipe testou, pela primeira vez, os chamados SMSPDs (detectores de microfios supercondutores para fótons únicos) no Fermilab, expondo-os a feixes de prótons, elétrons e píons. Os sensores mostraram desempenho superior ao de detectores tradicionais, com maior eficiência e detalhamento na captação de partículas carregadas — algo essencial para a física de partículas.

Diferentemente dos SNSPDs, usados em redes quânticas e telescópios, os SMSPDs têm área maior e foram adaptados para detectar partículas eletricamente carregadas. Essa adaptação é inédita e marca um avanço importante, segundo os pesquisadores, abrindo caminho para identificar partículas mais leves ou até exóticas, como possíveis componentes da matéria escura.

Os SMSPDs funcionam como sensores “4D”, por registrarem a posição e o tempo de cada partícula com grande precisão. Isso permite traçar as trajetórias das partículas com mais clareza, o que é fundamental em experimentos com milhões de interações por segundo, onde é necessário identificar o evento principal entre muitos simultâneos.

Maria Spiropulu, professora de física no Caltech, destaca que os sensores quânticos serão indispensáveis na próxima geração de detectores. Ela afirma que a física de partículas está passando por uma transformação, e a nova tecnologia poderá permitir descobertas fundamentais sobre as leis que regem o universo.

Além do uso em física, sensores dessa família já foram aplicados em missões espaciais, como na comunicação óptica entre sondas e a Terra, e em experimentos de redes quânticas com teletransporte de informação. Agora, com a adaptação para detecção de partículas carregadas, a tecnologia amplia seu campo de atuação para os grandes laboratórios de física de altas energias.

Cristián Peña, do Fermilab, que liderou o estudo, reforça o potencial dos SMSPDs para futuros colíderes, como o Future Circular Collider ou um colisor de múons. Segundo ele, a colaboração entre instituições de excelência está levando a pesquisa de sensores quânticos a um novo patamar, essencial para as descobertas científicas das próximas décadas.