探秘超导传感器：为罕见事件搜索 “降噪”

超导转变边缘传感器（TESs）就像微观世界里超级敏锐的“小侦探”，能以超高的效率发现单光子和多光子事件，效率高到几乎能达到100% ！它工作的环境超“冷酷”，在接近绝对零度（低于1 K）的状态下，处于超导态和正常态的“边界线”上。这个时候的它，对温度变化超级敏感，只要有光子等粒子“撞”过来，吸收了能量，温度一升高，电阻就会改变，这样科学家们就能“看”到微观世界里发生的奇妙事情啦！

在粒子物理学的各种实验里，找那些罕见事件就像是在茫茫宇宙里找最特别的星星。而TESs凭借着低背景和高检测效率这两大“法宝”，成为了众多实验的得力助手。比如说PTOLEMY实验，它用TESs来寻找遗迹中微子；还有ALPS II实验，专注于探索新的轻玻色子和其他弱相互作用的亚电子伏特粒子。不过呢，想要让TESs更好地发挥作用，就得搞清楚它的背景信号，也就是“暗计数率（DCR）”。之前有研究探索过红外TES的暗计数率，但那些神秘信号到底是怎么来的，还没有被完全弄明白。这次的研究就不一样啦，专门研究没有光纤连接时光学TES的暗计数，而且测量的波长范围更广，从390到1550 nm，还设计了超独特的实验，准备把暗计数的秘密一探究竟！

为了进一步揭开高能事件的“神秘面纱”，研究团队用Geant4进行模拟。一开始计算就发现，宇宙射线直接和TES相互作用，根本没办法解释那么多高能事件。模拟结果显示，高能事件大多是宇宙射线和环境伽马射线在和TES的基板“搞事情”，而不是直接和TES的“核心区域”互动。同时，通过电感耦合等离子体质谱（ICP - MS）分析发现，TES周围材料的放射性对高能暗计数率的影响小到可以忽略不计。这一系列研究就像拼图一样，一块一块地把高能事件的真相拼了出来！

实验结果既让人惊喜，又留下了一些小悬念。在0.8-3.2 eV的能量范围内，类光子暗计数率低到只有3.6×10⁻⁴ Hz，在1.5±0.2 eV这个MuDHI实验找暗物质暗光子的关键能量范围，更是低至6×10⁻⁵ Hz，和之前MuDHI实验用的单光子雪崩二极管（SPAD）相比，进步简直太大啦，提升了差不多7个数量级！可是呢，类光子暗计数率在不同实验条件下居然都很稳定，它到底是从哪儿来的，还是个未解之谜，就像微观世界给科学家们出的一道谜题，等着大家去解开。对于高能事件，实验和模拟都证实了它们和宇宙射线、环境伽马射线以及基板的相互作用关系，而且还发现基板面积和高能暗计数率之间有着密切的联系，为后续研究指明了方向。

原文链接：

https://arxiv.org/abs/2402.03073v4