極低温粒子検出器

極低温粒子検出器は、通常絶対零度よりわずか数度高い、非常に低い温度で動作します。これらのセンサーは、エネルギー素粒子（光子など）と相互作用し、粒子の種類と相互作用の性質に関連する信号を発します。多くの種類の粒子検出器は極低温で動作し、性能が向上しますが、この用語は一般に、低温でのみ発生する特殊な効果や特性を利用する種類を指します。

低温でセンサーを動作させる最も一般的に挙げられる理由は、絶対温度の平方根に比例する熱雑音の低減です。しかし、非常に低い温度では、特定の材料特性がセンサーを通過する際に粒子によって蓄積されるエネルギーに非常に敏感になり、これらの変化から得られる利益は熱雑音の低減から得られる利益よりもさらに大きくなる可能性があります。そのような一般的に使用される 2 つの特性は、熱容量と電気抵抗率、特に超伝導です。その他の設計は、超伝導トンネル接合、準粒子トラッピング、超流体内のロトン、磁気ボロメータ、およびその他の原理 に基づいています。

もともと、天文学は光と赤外線を観測するための極低温検出器の開発を推進しました。^{[1]その後、素粒子物理学と宇宙論が、}ニュートリノ、アクシオン、弱い相互作用をする巨大粒子（WIMP）などの既知または予測されている粒子を検知するための極低温検出器の開発を促しました。^{[2] [3]}

熱量計は、物質のサンプルに蓄積された熱量を測定する装置です。熱量計はエネルギーを測定しますが、ボロメータは電力を測定するという点で、熱量計とボロメータは異なります。

結晶性誘電体（シリコンなど）のデバイ温度以下では、熱容量は絶対温度の 3 乗に反比例して減少します。熱容量は非常に小さくなるため、与えられた熱入力に対するサンプルの温度上昇は比較的大きくなります。これにより、通過する粒子によって蓄積される熱入力などの少量の熱入力に対して非常に大きな温度変動を示す熱量計を製作することが実用的になります。温度上昇は、従来の熱量計と同様に、標準的なタイプのサーミスタで測定できます。一般に、この方法で高感度の粒子検出器を製作するには、小さなサンプル サイズと非常に高感度のサーミスタが必要です。

原理的には、数種類の抵抗温度計を使用できます。エネルギー蓄積に対する感度の限界は、抵抗変動の大きさによって決まり、抵抗変動は熱変動によって決まります。すべての抵抗器は、温度に比例した電圧変動 (ジョンソンノイズと呼ばれる効果) を示すため、必要な感度を達成するには、温度を下げることが唯一の方法となることがよくあります。

遷移エッジ センサー(TES)と呼ばれる非常に感度の高い熱量測定センサーは、超伝導を利用します。ほとんどの純粋な超伝導体は、ある低温で通常の抵抗から超伝導へと非常に急激に遷移します。超伝導相転移を利用することで、粒子との相互作用によって生じる温度の非常に小さな変化が、抵抗の大きな変化をもたらします。

超伝導トンネル接合(STJ) は、非常に薄い (~ナノメートル)絶縁層で分離された2 つの超伝導材料で構成されています。これは、超伝導体 - 絶縁体 - 超伝導体トンネル接合(SIS)とも呼ばれ、ジョセフソン接合の一種です。クーパー対は絶縁障壁をトンネルすることができ、この現象はジョセフソン効果として知られています。準粒子も障壁をトンネルすることができますが、準粒子電流は超伝導エネルギーギャップの 2 倍未満の電圧では抑制されます。STJ の片側で吸収された光子は、クーパー対を破壊し、準粒子を生成します。接合に電圧が印加されると、準粒子は接合をトンネルし、結果として生じるトンネル電流は光子エネルギーに比例します。STJ は、光子支援トンネル効果によって生じる非線形電流 - 電圧特性の変化を利用することで、ヘテロダイン検出器として使用することもできます。 STJ は、100 GHz ～ 1 THzの周波数範囲で利用できる最も感度の高いヘテロダイン検出器であり 、これらの周波数での天文観測に使用されます。

運動インダクタンス検出器( KID) は、超伝導材料の薄いストリップにおける光子の吸収によって生じる運動インダクタンスの変化を測定することに基づいています。インダクタンスの変化は通常、マイクロ波共振器の共振周波数の変化として測定されるため、これらの検出器はマイクロ波運動インダクタンス検出器 (MKID) とも呼ばれます。

超伝導転移のみを使用して、通過する粒子によって引き起こされる加熱を直接測定できます。磁場内のタイプ I 超伝導粒子は完全な反磁性を示し、内部から磁場を完全に排除します。転移温度よりわずかに低い温度に保たれると、粒子の放射による加熱で超伝導が消え、磁場が突然内部に浸透します。この磁場の変化は周囲のコイルで検出できます。粒子が再び冷却されると、変化は可逆になります。実際には、粒子は非常に小さく、慎重に作成され、コイルに慎重に結合されている必要があります。

常磁性 希土類イオンは、低熱容量物質に吸収された熱によって引き起こされる常磁性原子のスピン反転を感知することにより、粒子センサーとして使用されています。イオンは磁気温度計として使用されます。

熱量計は、サンプルが熱平衡状態またはそれに近い状態にあると想定します。非常に低温の結晶材料では、必ずしもそうではありません。相互作用する粒子によって引き起こされる結晶格子の基本励起、つまりフォノンを測定することで、さらに多くの情報を得ることができます。これは、超伝導遷移エッジセンサーを含むいくつかの方法で行うことができます。

超伝導ナノワイヤ単一光子検出器(SNSPD) は、超伝導転移温度よりはるかに低い温度に冷却され、超伝導臨界電流に近いがそれより低い直流電流でバイアスされた超伝導ワイヤに基づいています。 SNSPD は通常、細いナノワイヤ (通常の幅は 100 nm) としてパターン化された厚さ ≈ 5 nm の窒化ニオブ膜で作られています。 光子を吸収するとクーパー対が破壊され、臨界電流がバイアス電流以下に低下します。 ナノワイヤの幅全体にわたって小さな非超伝導セクションが形成されます。^{[4] [5]}この抵抗性の非超伝導セクションにより、約 1 ナノ秒の持続時間の検出可能な電圧パルスが発生します。 このタイプの光子検出器の主な利点は、高速性 (最大カウント レートは 2 GHz で、利用可能なものの中で最速) と暗カウント レートの低さです。 主な欠点は、固有のエネルギー分解能がないことです。

^超流動4 Heでは、基本的な集団励起はフォノンとロトンです。この超流動体で電子または原子核に衝突する粒子はロトンを生成することができ、これはボロメータで検出されるか、ヘリウム原子が自由表面に到達したときに蒸発することで検出されます。4 He は本質的に非常に純粋であるため^、ロトンは弾道的に移動して安定しており、大量の流体を使用できます。

0.001 K 未満の B 相では、超流動³ He は超伝導体と同様に動作します。原子のペアは、 100 ナノ電子ボルト程度の非常に小さなエネルギーギャップを持つクーパー対に似た準粒子として結合します。これにより、超伝導トンネル検出器に類似した検出器を構築できます。利点は、1 回の相互作用で多数 (~10 ^{9 ) のペアを生成できることですが、問題は、生成された通常の3} He 原子の過剰を測定することと、そのような低温で大量の超流動体を準備して維持することが難しいことです。

• ボロメータ – 入射する電磁放射を測定する装置
• 極低温暗黒物質探索 – 物理学探査実験
• 検出器 – 物理量を測定して信号に変換する変換器リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• 磁壁（磁性）  – 磁区間の界面
• 磁束ピンニング – 超伝導に関連する現象
• ギンツブルグ・ランダウ理論 – 超伝導理論
• Husimi Q 表現 – 計算物理シミュレーションツール
• ジョセフソン効果 – 量子物理現象
• マイスナー効果 – 超伝導体からの磁場の放出
• マイクロボロメータ – 赤外線を検出する顕微鏡装置
• 超伝導体 – 電気抵抗がゼロの電気伝導性リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ

• Twerenbold, Damian (1996 年 12 月). 「極低温粒子検出器」. Rep. Prog. Phys . 59 (3): 349– 426. Bibcode :1996RPPh...59..349T. doi :10.1088/0034-4885/59/3/002. S2CID  250872972.
• エンス、クリスチャン編（2005年）。極低温粒子検出。シュプリンガー、応用物理学のトピック99。ISBN 978-3-540-20113-7。

1. ^ Glass, IS (1999).赤外線天文学ハンドブック. ニューヨーク: ケンブリッジ大学出版局. ISBN 978-0-521-63311-6。
2. ^ Primack, JR; D. Seckel; B. Sadoulet (1988年12月). 「宇宙暗黒物質の検出」. Annual Review of Nuclear and Particle Science . 38 (38): 751– 807. Bibcode :1988ARNPS..38..751P. doi : 10.1146/annurev.ns.38.120188.003535 .
3. ^ Pretzl, K. (1988). 「ダークマターの探索」(PDF) .スペースサイエンスレビュー. 130 ( 1– 4): 63– 72. Bibcode :2007SSRv..130...63P. doi :10.1007/s11214-007-9151-0. S2CID  59043993.
4. ^ Semenov, AD; Gol'Tsman, Gregory N.; Korneev, Alexander A. (2001). 「電流を流す超伝導フィルムによる量子検出」. Physica C. 351 ( 4): 349– 356. Bibcode :2001PhyC..351..349S. doi :10.1016/S0921-4534(00)01637-3.
5. ^ ゴルツマン、GN;オクネフ、O.チュルコバ、G.リパトフ、A.セミノフ、A.スミルノフ、Ｋ．ボロノフ、B.ジャルダノフ、A.他。 （2001年）。 「ピコ秒超伝導単一光子光検出器」。応用物理学の手紙。79 (6): 705–707。書誌コード:2001ApPhL..79..705G。土井：10.1063/1.1388868。