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    Laboratorio principale selezionato per l'esperimento di fondo a microonde cosmico di nuova generazione

    Il telescopio del Polo Sud scruta il cielo come le luci del sud, o aurora australe, formare modelli verdi in questo video clip 2018. Il progetto CMB-S4 presenterà nuovi telescopi attorno a questo sito di esperimenti in corso al Polo Sud, e anche nell'alto deserto del Cile. Credito:Robert Schwarz/Università del Minnesota

    La più grande impresa collaborativa ancora da esplorare la luce reliquia emessa dall'universo infantile ha fatto un passo avanti con la selezione del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per guidare la partnership dei laboratori nazionali, università, e altre istituzioni che si uniscono nello sforzo di svolgere i ruoli e le responsabilità del DOE. Questo esperimento di nuova generazione, noto come CMB-S4, o Cosmic Microwave Background Stage 4, è stato progettato per diventare un progetto congiunto DOE e National Science Foundation.

    CMB-S4 unirà diverse collaborazioni esistenti per rilevare il cielo a microonde con dettagli senza precedenti con 500, 000 rivelatori ultrasensibili per sette anni. Questi rivelatori saranno installati su 21 telescopi in due dei principali luoghi del nostro pianeta per osservare lo spazio profondo:il Polo Sud e l'alto deserto cileno. Il progetto ha lo scopo di svelare molti segreti in cosmologia, fisica fondamentale, astrofisica, e astronomia.

    Combinando un mix di telescopi grandi e piccoli in entrambi i siti, CMB-S4 sarà il primo esperimento ad accedere all'intero ambito della scienza CMB a terra. Misurerà variazioni minime nella temperatura e nella polarizzazione, o direzionalità, di luce a microonde su gran parte del cielo, per sondare le increspature nello spazio-tempo associate a una rapida espansione all'inizio dell'universo, noto come inflazione.

    CMB-S4 aiuterà anche a misurare la massa del neutrino; mappare la crescita del raggruppamento di materia nel tempo nell'universo; getta nuova luce sulla misteriosa materia oscura, che costituisce la maggior parte della materia dell'universo ma non è stata ancora osservata direttamente, ed energia oscura, che sta guidando un'espansione accelerata dell'universo; e aiutare nella rilevazione e nello studio di potenti fenomeni spaziali come lampi di raggi gamma e blazar che emettono getti.

    Questa immagine, da “Cielo Eterno, ” una serie di video sull'Osservatorio Simons, mostra il sito del deserto di Atacama dove saranno costruiti alcuni dei telescopi per l'esperimento CMB-S4. Credito:Debra Kellner/Fondazione Simons

    Il 1 settembre, Il direttore dell'Office of Science del DOE, Chris Fall, ha autorizzato la selezione del Berkeley Lab come laboratorio principale per i ruoli e le responsabilità del DOE su CMB-S4, con il Laboratorio Nazionale Argonne, Laboratorio Nazionale Acceleratore Fermi, e SLAC National Accelerator Laboratory in qualità di laboratori partner. La collaborazione CMB-S4 conta ora 236 membri in 93 istituzioni in 14 paesi e 21 stati degli Stati Uniti.

    Il progetto ha superato il suo primo traguardo DOE, nota come Decisione Critica 0 o CD-0, il 26 luglio, 2019. È stato approvato dal rapporto 2014 del Particle Physics Project Prioritization Panel (noto come P5), che aiuta a stabilire la direzione futura della ricerca relativa alla fisica delle particelle. Il progetto è stato anche raccomandato dalla National Academy of Sciences Strategic Vision for Antarctic Science nel 2015, e dal Comitato consultivo di astronomia e astrofisica nel 2017.

    CMB-S4 aiuterà anche a misurare la massa del neutrino; mappare la crescita del raggruppamento di materia nel tempo nell'universo; getta nuova luce sulla misteriosa materia oscura, che costituisce la maggior parte della materia dell'universo ma non è stata ancora osservata direttamente, ed energia oscura, che sta guidando un'espansione accelerata dell'universo; e aiutare nella rilevazione e nello studio di potenti fenomeni spaziali come lampi di raggi gamma e blazar che emettono getti.

    Il 1 settembre, Il direttore dell'Office of Science del DOE, Chris Fall, ha autorizzato la selezione del Berkeley Lab come laboratorio principale per i ruoli e le responsabilità del DOE su CMB-S4, con il Laboratorio Nazionale Argonne, Laboratorio Nazionale Acceleratore Fermi, e SLAC National Accelerator Laboratory in qualità di laboratori partner. La collaborazione CMB-S4 conta ora 236 membri in 93 istituzioni in 14 paesi e 21 stati degli Stati Uniti.

    Una vista del telescopio del Polo Sud, uno degli strumenti esistenti presso il sito del Polo Sud dove verrà costruito CMB-S4. Credito:Laboratorio nazionale Argonne

    Il progetto ha superato il suo primo traguardo DOE, nota come Decisione Critica 0 o CD-0, il 26 luglio, 2019. È stato approvato dal rapporto 2014 del Particle Physics Project Prioritization Panel (noto come P5), che aiuta a stabilire la direzione futura della ricerca relativa alla fisica delle particelle. Il progetto è stato anche raccomandato dalla National Academy of Sciences Strategic Vision for Antarctic Science nel 2015, e dal Comitato consultivo di astronomia e astrofisica nel 2017.

    La NSF è stata fondamentale per lo sviluppo di CMB-S4, che si basa sul programma esistente di NSF di università guidate, esperimenti CMB a terra. Quattro di questi esperimenti:l'Atacama Cosmology Telescope e il POLARBEAR/Simons Array in Cile, e il South Pole Telescope e BICEP/Keck al South Pole, hanno contribuito all'avvio di CMB-S4 nel 2013, e il design di CMB-S4 si basa molto sulle tecnologie sviluppate e implementate da questi team e da altri. NSF sta anche aiutando a pianificare il suo possibile ruolo futuro con una sovvenzione assegnata all'Università di Chicago.

    La collaborazione CMB-S4 è stata istituita nel 2018, e i suoi attuali co-portavoce sono Julian Borrill, capo del Centro di cosmologia computazionale presso il Berkeley Lab e ricercatore presso il Laboratorio di scienze spaziali dell'UC Berkeley, e John Carlstrom, un professore di fisica, astronomia, e astrofisica all'Università di Chicago e scienziato all'Argonne Lab.

    CMB-S4 si basa su decenni di esperienza con sistemi a terra, satellitare, e esperimenti basati su palloncini.

    Questa mappa dell'universo, uscito nel 2018, mostra le fluttuazioni di temperatura nel cielo a microonde. Credito:ESA, Collaborazione Planck

    Ciò che rende unico il CMB-S4 non è la tecnologia in sé:la tecnologia del rivelatore è già stata dimostrata in esperimenti precedenti, per esempio, ma la scala alla quale la tecnologia verrà distribuita, compreso il numero di rilevatori, scala dei sistemi di lettura del rivelatore, numero di telescopi, e volume di dati da trattare.

    CMB-S4, che supererà di oltre 10 volte le capacità delle precedenti generazioni di esperimenti, avrà la potenza visiva combinata di tre grandi telescopi e 18 piccoli telescopi. La principale sfida tecnologica per CMB-S4 è nella sua scala. Mentre le generazioni precedenti di strumenti hanno utilizzato decine di migliaia di rilevatori, l'intero progetto CMB-S4 richiederà mezzo milione.

    Le sfide della gestione dei dati saranno sostanziali, pure, poiché questi enormi array di rivelatori produrranno 1, 000 volte più dati rispetto alla precedente generazione di esperimenti. Uno dei principali obiettivi hardware per il progetto sarà la costruzione di nuovi telescopi e la fabbricazione di massa dei rivelatori. L'attuale design del rivelatore, adattato da esperimenti attuali, conterrà oltre 500 wafer di silicio che contengono ciascuno 1, 000 rivelatori superconduttori.

    CMB-S4 prevede di attingere alle risorse informatiche presso l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) e il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab, e di fare domanda per Open Science Grid e eXtreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) di NSF.

    Questo prototipo di wafer, misura circa 5 pollici di diametro, con più di 1, 000 rilevatori, è stato realizzato per testare i processi di fabbricazione del rivelatore e la qualità del rivelatore per l'esperimento CMB-S4. Credito:Aritoki Suzuki/Berkeley Lab

    Il progetto spera di dispiegare il suo primo telescopio nel 2027, per essere pienamente operativo su tutti i telescopi entro un paio d'anni, e per tutto il 2035.

    I prossimi passi includono la preparazione di un ufficio progetti al Berkeley Lab, preparati per il prossimo traguardo del DOE, nota come decisione critica 1, lavorare per diventare un progetto NSF, e lavorare in tutta la comunità per portare le migliori competenze e capacità.


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