La tecnologia guidata dalle argonne fa parte di un'ampia iniziativa volta a rispondere a domande fondamentali sulla nascita della materia nell'universo e sui mattoni che la tengono insieme.

Immagina il primo della nostra specie a giacere sotto il bagliore di un cielo serale. Un enorme senso di stupore, forse un po' di paura, li riempie mentre si interrogano su quei punti di luce apparentemente infiniti e su cosa potrebbero significare. Come umani, abbiamo sviluppato la capacità di porre grandi domande perspicaci sul mondo che ci circonda e sui mondi al di là di noi. osiamo, anche, mettere in discussione le nostre origini.

"Il posto degli umani nell'universo è importante da capire, " ha detto il fisico e scienziato computazionale Salman Habib. "Una volta che ti rendi conto che ci sono miliardi di galassie che possiamo rilevare, ciascuno con molti miliardi di stelle, capisci l'insignificanza dell'essere umano in un certo senso. Ma allo stesso tempo, apprezzi molto di più essere umano."

Con non meno senso di meraviglia della maggior parte di noi, Habib e i colleghi dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) stanno attivamente ricercando queste domande attraverso un'iniziativa che indaga le componenti fondamentali sia della fisica delle particelle che dell'astrofisica.

L'ampiezza della ricerca di Argonne in questi settori è sbalorditiva. Ci riporta ai confini del tempo stesso, a una porzione infinitesimamente piccola di secondo dopo il Big Bang, quando si sono verificate fluttuazioni casuali di temperatura e densità, alla fine formando i focolai di galassie e pianeti.

Esplora il cuore dei protoni e dei neutroni per comprendere i costrutti più fondamentali dell'universo visibile, particelle ed energia una volta libere nel primo universo post-Big Bang, ma in seguito confinato per sempre all'interno di una struttura atomica di base mentre quell'universo iniziava a raffreddarsi.

E si rivolge leggermente più recente, domande più controverse sulla natura della materia oscura e dell'energia oscura, entrambi giocano un ruolo dominante nella composizione e nelle dinamiche dell'universo, ma sono poco compresi.

"E questa ricerca di livello mondiale che stiamo facendo non potrebbe avvenire senza i progressi della tecnologia, " ha affermato Kawtar Hafidi, direttore del laboratorio associato Argonne, che ha contribuito a definire e fondere i diversi aspetti dell'iniziativa.

"Stiamo sviluppando e fabbricando rivelatori che cercano firme dall'universo primordiale o migliorano la nostra comprensione delle particelle più fondamentali, " ha aggiunto. "E poiché tutti questi rilevatori creano big data che devono essere analizzati, stiamo sviluppando, tra l'altro, tecniche di intelligenza artificiale per farlo".

Decodificare i messaggi dall'universo

Sviluppare una teoria dell'universo su scala cosmica o subatomica richiede una combinazione di osservazioni, esperimenti, teorie, simulazioni e analisi, che a sua volta richiede l'accesso ai telescopi più sofisticati del mondo, collisori di particelle, rivelatori e supercomputer.

Argonne è particolarmente adatto a questa missione, dotato com'è di molti di quegli strumenti, la capacità di produrre altri e privilegi di collaborazione con altri laboratori federali e istituti di ricerca leader per accedere ad altre capacità e competenze.

In qualità di responsabile della componente cosmologica dell'iniziativa, Habib usa molti di questi strumenti nella sua ricerca per comprendere le origini dell'universo e cosa lo fa funzionare.

E quale modo migliore per farlo che osservarlo, Egli ha detto.

"Se guardi l'universo come un laboratorio, allora ovviamente dovremmo studiarlo e cercare di capire cosa ci sta dicendo sulla scienza fondamentale, " ha osservato Habib. "Quindi, una parte di ciò che stiamo cercando di fare è costruire sonde sempre più sensibili per decifrare ciò che l'universo sta cercando di dirci".

Ad oggi, Argonne è coinvolto in diversi importanti rilievi del cielo, che utilizzano una serie di piattaforme di osservazione, come telescopi e satelliti, per mappare diversi angoli dell'universo e raccogliere informazioni che favoriscono o rifiutano una teoria specifica.

Per esempio, il sondaggio del South Pole Telescope, una collaborazione tra Argonne e una serie di laboratori e università nazionali, sta misurando il fondo cosmico a microonde (CMB), considerata la luce più antica dell'universo. Variazioni nelle proprietà CMB, come la temperatura, segnalare le originali fluttuazioni di densità che alla fine hanno portato a tutta la struttura visibile nell'universo.

Inoltre, lo strumento spettroscopico per l'energia oscura e l'imminente Osservatorio Vera C. Rubin sono appositamente attrezzati, telescopi terrestri progettati per far luce sull'energia oscura e sulla materia oscura, così come la formazione della struttura luminosa nell'universo.

Questioni più oscure

Tutti i set di dati derivati ​​da queste osservazioni sono collegati alla seconda componente della spinta cosmologica di Argonne, che ruota intorno alla teoria e alla modellistica. I cosmologi combinano osservazioni, misurazioni e le leggi fisiche prevalenti per formare teorie che risolvono alcuni dei misteri dell'universo.

Ma l'universo è complesso, e ha una fastidiosa tendenza a lanciare una palla curva proprio quando pensavamo di avere una teoria azzeccata. Le scoperte negli ultimi 100 anni hanno rivelato che l'universo si sta espandendo e accelerando la sua espansione, realizzazioni che sono arrivate come sorprese separate ma uguali.

"Dire che capiamo l'universo non sarebbe corretto. Dire che in qualche modo lo capiamo va bene, " esclamò Habib. "Abbiamo una teoria che descrive cosa sta facendo l'universo, ma ogni volta che l'universo ci sorprende, dobbiamo aggiungere un nuovo ingrediente a quella teoria".

La modellazione aiuta gli scienziati a ottenere un quadro più chiaro di se e come questi nuovi ingredienti si adatteranno a una teoria. Fanno previsioni per osservazioni che non sono ancora state fatte, dire agli osservatori quali nuove misurazioni prendere.

Il gruppo di Habib sta applicando questo stesso tipo di processo per ottenere una comprensione sempre così provvisoria della natura dell'energia oscura e della materia oscura. Mentre gli scienziati possono dirci che esistono entrambi, che comprendono circa il 68 e il 26% dell'universo, rispettivamente, oltre a questo non si sa molto altro.

Le osservazioni della struttura cosmologica - la distribuzione delle galassie e persino delle loro forme - forniscono indizi sulla natura della materia oscura, che a sua volta alimenta semplici modelli di materia oscura e successive previsioni. Se le osservazioni, modelli e previsioni non sono d'accordo, questo dice agli scienziati che potrebbe esserci qualche ingrediente mancante nella loro descrizione della materia oscura.

Ma ci sono anche esperimenti che cercano prove dirette di particelle di materia oscura, che richiedono rivelatori altamente sensibili. Argonne ha avviato lo sviluppo di una tecnologia di rivelatore superconduttore specializzato per il rilevamento di particelle di materia oscura di piccola massa.

Questa tecnologia richiede la capacità di controllare le proprietà dei materiali stratificati e regolare la temperatura in cui il materiale passa dalla resistenza finita a quella zero, quando diventa un superconduttore. E a differenza di altre applicazioni in cui gli scienziati vorrebbero che questa temperatura fosse la più alta possibile:temperatura ambiente, per esempio, qui, la transizione deve essere molto vicina allo zero assoluto.

Habib si riferisce a questi rilevatori di materia oscura come trappole, come quelli usati per la caccia, che, in sostanza, è quello che stanno facendo i cosmologi. Perché è possibile che la materia oscura non appartenga a una sola specie, hanno bisogno di diversi tipi di trappole.

"È quasi come se fossi in una giungla alla ricerca di un certo animale, ma non sai bene cosa sia, potrebbe essere un uccello, un serpente, una tigre, così costruisci diversi tipi di trappole, " Egli ha detto.

I ricercatori di laboratorio stanno lavorando su tecnologie per catturare queste specie sfuggenti attraverso nuove classi di ricerche sulla materia oscura. Collaborando con altre istituzioni, ora stanno progettando e costruendo una prima serie di progetti pilota volti a cercare candidati per la materia oscura con massa bassa.

Sintonizzati sull'universo primordiale

Amy Bender sta lavorando su un diverso tipo di rilevatore, beh, molti rivelatori, che sono al centro di un'indagine sul fondo cosmico a microonde (CMB).

"Il CMB è una radiazione che è stata intorno all'universo per 13 miliardi di anni, e lo stiamo misurando direttamente, " disse Bender, un assistente fisico ad Argonne.

I rivelatori sviluppati da Argonne, tutti e 16, 000 di loro:catturano fotoni, o particelle leggere, da quel cielo primordiale attraverso il suddetto telescopio del polo sud, per aiutare a rispondere a domande sull'universo primordiale, fisica fondamentale e la formazione delle strutture cosmiche.

Ora, lo sforzo sperimentale di CMB sta entrando in una nuova fase, CMB-Fase 4 (CMB-S4). Questo progetto più ampio affronta argomenti ancora più complessi come la teoria dell'inflazione, il che suggerisce che l'universo si è espanso più velocemente della velocità della luce per una frazione di secondo, poco dopo il Big Bang.

Mentre la scienza è sorprendente, la tecnologia per arrivarci è altrettanto affascinante.

Tecnicamente chiamati bolometri con rilevamento del bordo di transizione (TES), i rivelatori sul telescopio sono realizzati con materiali superconduttori fabbricati presso il Centro per i materiali su nanoscala di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

Ciascuno dei 16, 000 si comportano come una combinazione di termometro e telecamera molto sensibili. Poiché la radiazione in entrata viene assorbita sulla superficie di ciascun rivelatore, le misurazioni vengono effettuate sottoraffreddandole a una frazione di grado sopra lo zero assoluto. (È oltre tre volte più freddo della temperatura più bassa registrata in Antartide.)

Le variazioni di calore vengono misurate e registrate come variazioni di resistenza elettrica e aiuteranno a fornire una mappa dell'intensità del CMB nel cielo.

CMB-S4 si concentrerà su una tecnologia più recente che consentirà ai ricercatori di distinguere modelli molto specifici alla luce, o luce polarizzata. In questo caso, stanno cercando quello che Bender chiama il Santo Graal della polarizzazione, uno schema chiamato B-modes.

Catturare questo segnale dall'universo primordiale, molto più debole del segnale di intensità, aiuterà a confermare o smentire una previsione generica di inflazione.

Richiederà anche l'aggiunta di 500, 000 rivelatori distribuiti tra 21 telescopi in due distinte regioni del mondo, il Polo Sud e il deserto cileno. Là, l'alta quota e le condizioni estremamente secche impediscono al vapore acqueo nell'atmosfera di assorbire la luce di lunghezza d'onda millimetrica, come quello della CMB.

Mentre precedenti esperimenti hanno toccato questa polarizzazione, il gran numero di nuovi rivelatori migliorerà la sensibilità a quella polarizzazione e aumenterà la nostra capacità di catturarla.

"Letteralmente, abbiamo costruito queste fotocamere completamente da zero, " ha detto Bender. "La nostra innovazione sta nel come far funzionare insieme queste pile di materiali superconduttori all'interno di questo rivelatore, dove devi accoppiare molti fattori complessi e poi effettivamente leggere i risultati con il TES. Ed è qui che Argonne ha contribuito, enormemente."

Giù alle basi

Le capacità di Argonne nella tecnologia dei rivelatori non si fermano solo ai margini del tempo, né le indagini dell'iniziativa si limitano a guardare al quadro generale.

La maggior parte dell'universo visibile, comprese le galassie, stelle, pianeti e persone, sono costituiti da protoni e neutroni. Comprendere i componenti più fondamentali di quei mattoni e come interagiscono per creare atomi e molecole e quasi tutto il resto è il regno di fisici come Zein-Eddine Meziani.

"Dal punto di vista del futuro del mio campo, questa iniziativa è estremamente importante, "disse Meziani, che guida il gruppo di fisica delle medie energie di Argonne. "Ci ha dato la possibilità di esplorare effettivamente nuovi concetti, sviluppare una migliore comprensione della scienza e un percorso per entrare in collaborazioni più grandi e assumere una certa leadership".

Assumendo la guida della componente di fisica nucleare dell'iniziativa, Meziani sta guidando Argonne verso un ruolo significativo nello sviluppo dell'Electron-Ion Collider, una nuova struttura del programma di fisica nucleare degli Stati Uniti prevista per la costruzione presso il Brookhaven National Laboratory del DOE.

L'interesse principale di Argonne nel collisore è chiarire il ruolo che i quark, anti-quark e gluoni giocano nel dare massa e un momento angolare quantistico, chiamato rotazione, a protoni e neutroni - nucleoni - le particelle che compongono il nucleo di un atomo.

Mentre una volta pensavamo che i nucleoni fossero le particelle fondamentali finite di un atomo, l'emergere di potenti acceleratori di particelle, come lo Stanford Linear Accelerator Center alla Stanford University e l'ex Tevatron al Fermilab del DOE, dimostrato il contrario.

Si scopre che quark e gluoni erano indipendenti dai nucleoni nelle densità di energia estreme dell'universo primordiale; mentre l'universo si espandeva e si raffreddava, si trasformarono in materia ordinaria.

"C'è stato un tempo in cui quark e gluoni erano liberi in una grande zuppa, se vorrai, ma non li abbiamo mai visti liberi, » spiegò Meziani. «Allora, stiamo cercando di capire come l'universo ha catturato tutta questa energia che c'era e l'ha messa in sistemi confinati, come queste goccioline che chiamiamo protoni e neutroni."

Parte di quell'energia è legata ai gluoni, quale, nonostante non abbiano massa, conferiscono la maggior parte della massa a un protone. Così, Meziani spera che l'Electron-Ion Collider consentirà alla scienza di esplorare, tra le altre proprietà, le origini della massa nell'universo attraverso un'esplorazione dettagliata dei gluoni.

E proprio come Amy Bender sta cercando la polarizzazione dei B-mode nel CMB, Meziani e altri ricercatori sperano di utilizzare una particella molto specifica chiamata J/psi per fornire un'immagine più chiara di ciò che sta accadendo all'interno del campo gluonico di un protone.

Ma produrre e rilevare la particella J/psi all'interno del collisore, assicurando al tempo stesso che il bersaglio del protone non si rompa, è un'impresa complicata, che richiede nuove tecnologie. Ancora, Argonne si posiziona in prima linea in questa impresa.

"Stiamo lavorando ai progetti concettuali di tecnologie che saranno estremamente importanti per il rilevamento di questi tipi di particelle, così come per testare concetti per altre scienze che saranno condotti all'Electron-Ion Collider, " disse Meziani.

Argonne sta anche producendo rivelatori e tecnologie correlate nella sua ricerca di un fenomeno chiamato doppio decadimento beta senza neutrini. Un neutrino è una delle particelle emesse durante il processo di decadimento beta radioattivo dei neutroni e funge da piccola ma potente connessione tra la fisica delle particelle e l'astrofisica.

"Il doppio decadimento beta senza neutrini può avvenire solo se il neutrino è la sua antiparticella, " disse Hafidi. "Se l'esistenza di questi rarissimi decadimenti è confermata, avrebbe importanti conseguenze per capire perché c'è più materia che antimateria nell'universo."

Gli scienziati di Argonne di diverse aree del laboratorio stanno lavorando alla collaborazione Neutrino Experiment with Xenon Time Projection Chamber (NEXT) per progettare e prototipare sistemi chiave per il prossimo grande esperimento della collaborazione. Ciò include lo sviluppo di una struttura di prova unica nel suo genere e un programma di ricerca e sviluppo per nuovi, sistemi di rilevamento specializzati.

"Stiamo davvero lavorando su nuove idee drammatiche, " ha detto Meziani. "Stiamo investendo in alcune tecnologie per produrre qualche prova di principio che saranno quelle da perseguire in seguito, che le innovazioni tecnologiche che ci porteranno al rilevamento della massima sensibilità di questo processo saranno guidate da Argonne."

Gli strumenti di rilevamento

In definitiva, la scienza fondamentale è la scienza derivata dalla curiosità umana. E mentre potremmo non sempre vedere la ragione per perseguirlo, più spesso che non, la scienza fondamentale produce risultati che avvantaggiano tutti noi. A volte è una risposta gratificante a una domanda secolare, altre volte è una svolta tecnologica destinata a una scienza che si rivela utile in una miriade di altre applicazioni.

Attraverso i loro vari sforzi, Gli scienziati di Argonne mirano a entrambi i risultati. Ma ci vorrà più della curiosità e del potere del cervello per risolvere le domande che stanno ponendo. Ci vorranno le nostre abilità nella costruzione di utensili, come i telescopi che scrutano in profondità nei cieli e i rivelatori che catturano accenni alla luce più antica o alla più sfuggente delle particelle.

Avremo bisogno di utilizzare la potenza di calcolo ultraveloce dei nuovi supercomputer. La prossima macchina esascala Aurora di Argonne analizzerà montagne di dati per aiutare nella creazione di modelli massicci che simulano le dinamiche dell'universo o del mondo subatomico, quale, a sua volta, potrebbe guidare nuovi esperimenti o introdurre nuove domande.

E applicheremo l'intelligenza artificiale per riconoscere modelli in osservazioni complesse, su scala subatomica e cosmica, molto più rapidamente di quanto possa fare l'occhio umano, oppure utilizzalo per ottimizzare macchinari ed esperimenti per una maggiore efficienza e risultati più rapidi.

"Penso che ci sia stata data la flessibilità di esplorare nuove tecnologie che ci consentiranno di rispondere alle grandi domande, " ha detto Bender. "Quello che stiamo sviluppando è così all'avanguardia, non sai mai dove apparirà nella vita di tutti i giorni."