Quando sarà online, l'esperimento MAGIS-100 presso il Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e i suoi successori esploreranno la natura delle onde gravitazionali e cercheranno determinati tipi di materia oscura ondulatoria. Ma prima, i ricercatori devono capire qualcosa di abbastanza semplice:come ottenere buone fotografie delle nuvole di atomi al centro del loro esperimento.

I ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia si sono resi conto che il compito sarebbe stato forse l'esercizio definitivo nella fotografia in condizioni di luce ultra-bassa.

Ma un team dello SLAC che includeva gli studenti laureati di Stanford Sanha Cheong e Murtaza Safdari, il professor Ariel Schwartzman dello SLAC e gli scienziati dello SLAC Michael Kagan, Sean Gasiorowski, Maxime Vandegar e Joseph Frish hanno trovato un modo semplice per farlo:gli specchi. Disponendo gli specchi in una configurazione a cupola attorno a un oggetto, possono riflettere più luce verso la telecamera e visualizzare più lati di un oggetto contemporaneamente.

Inoltre, il team riporta nel Journal of Instrumentation , c'è un ulteriore vantaggio. Poiché la fotocamera ora raccoglie le viste di un oggetto preso da molte angolazioni diverse, il sistema è un esempio di "imaging del campo luminoso", che cattura non solo l'intensità della luce ma anche la direzione in cui viaggiano i raggi luminosi. Di conseguenza, il sistema a specchio può aiutare i ricercatori a costruire un modello tridimensionale di un oggetto, come una nuvola di atomi.

"Stiamo portando l'imaging in esperimenti come MAGIS-100 al nuovissimo paradigma di imaging con questo sistema", ha affermato Safdari.

Un'insolita sfida fotografica

Il sensore interferometrico del gradiente atomico a onde di materia lungo 100 metri, o MAGIS-100, è un nuovo tipo di esperimento installato in un pozzo verticale presso il Fermi National Accelerator Laboratory del DOE. Conosciuto come interferometro atomico, sfrutterà i fenomeni quantistici per rilevare le onde di passaggio di materia oscura ultraleggera e atomi di stronzio in caduta libera.

Gli sperimentatori rilasceranno nuvole di atomi di stronzio in un tubo a vuoto che corre per tutta la lunghezza dell'albero, quindi illumineranno la luce laser sulle nuvole in caduta libera. Ogni atomo di stronzio agisce come un'onda e la luce laser invia ciascuna di queste onde atomiche in una sovrapposizione di stati quantistici, uno dei quali continua sul suo percorso originale mentre l'altro viene spinto molto più in alto.

Quando si ricombinano, le onde creano uno schema di interferenza nell'onda dell'atomo di stronzio, simile al complesso schema di increspature che emerge dopo aver saltato una roccia su uno stagno. Questo schema di interferenza è sensibile a tutto ciò che modifica la distanza relativa tra le coppie di onde quantistiche o le proprietà interne degli atomi, che potrebbero essere influenzate dalla presenza di materia oscura.

Per vedere i modelli di interferenza, i ricercatori scatteranno letteralmente foto di una nuvola di atomi di stronzio, che comporta una serie di sfide. Le stesse nuvole di stronzio sono piccole, larghe solo un millimetro, e i dettagli che i ricercatori devono vedere sono larghi circa un decimo di millimetro. La telecamera stessa deve stare all'esterno di una camera e guardare attraverso una finestra a una distanza relativamente lunga per vedere le nuvole di stronzio all'interno.

Ma il vero problema è la luce. Per illuminare le nuvole di stronzio, gli sperimentatori punteranno dei laser sulle nuvole. Tuttavia, se la luce laser è troppo intensa, può distruggere i dettagli che gli scienziati vogliono vedere. Se non è abbastanza intensa, la luce delle nuvole sarà troppo debole per essere vista dalle telecamere.

"Raccoglierai solo quanta luce cade sull'obiettivo", ha detto Safdari, "che non è molta".

Specchi in soccorso

Un'idea è quella di utilizzare un'apertura ampia, o apertura, per far entrare più luce nella fotocamera, ma c'è un compromesso:un'apertura ampia crea quella che i fotografi chiamano una profondità di campo ridotta, in cui solo una piccola parte dell'immagine è a fuoco.

Un'altra possibilità sarebbe quella di posizionare più telecamere attorno a una nuvola di atomi di stronzio. Questo potrebbe raccogliere più luce riemessa, ma richiederebbe più finestre o, in alternativa, il montaggio delle telecamere all'interno della camera e non c'è molto spazio per un gruppo di telecamere.

La soluzione è saltata fuori, ha detto Schwartzman, durante una sessione di brainstorming in laboratorio. Mentre facevano rimbalzare idee, lo scienziato del personale Joe Frisch ha avuto l'idea degli specchi.

"Quello che puoi fare è riflettere la luce che si allontana dalla nuvola nell'obiettivo della fotocamera", ha affermato Cheong. Di conseguenza, una fotocamera può raccogliere non solo molta più luce, ma anche più viste di un oggetto da diverse angolazioni, ognuna delle quali appare sulla fotografia grezza come un punto distinto su uno sfondo nero. Quella raccolta di immagini distinte, ha realizzato il team, significava che avevano ideato una forma di cosiddetto "imaging in campo luminoso" e che avrebbero potuto ricostruire un modello tridimensionale della nuvola di atomi, non solo un'immagine bidimensionale.

Stampare un'idea in 3D

Con il supporto di una sovvenzione per la ricerca e lo sviluppo diretta dal laboratorio, Cheong e Safdari hanno preso l'idea dello specchio e l'hanno seguita, progettando una serie di minuscoli specchi in grado di reindirizzare la luce da tutta una nuvola di atomi verso una telecamera. Utilizzando alcuni software di algebra e ray-tracing sviluppati da Kagan e Vandegar, il team ha calcolato le posizioni e gli angoli giusti che consentirebbero allo specchio di mantenere a fuoco sulla fotocamera molte immagini diverse della nuvola. Il team ha anche sviluppato algoritmi di visione artificiale e intelligenza artificiale per utilizzare le immagini 2D per eseguire la ricostruzione 3D.

È il genere di cose che potrebbero sembrare ovvie in retrospettiva, ma ci sono volute molte riflessioni per ottenerle, ha detto Schwartzman. "Quando abbiamo ideato questo per la prima volta, abbiamo pensato:'Le persone devono averlo già fatto prima'", ha detto, ma in realtà è abbastanza nuovo che il gruppo abbia richiesto un brevetto sul dispositivo.

Per testare l'idea, Cheong e Safdari hanno realizzato un modello con un'impalcatura stampata in 3D che regge gli specchi, quindi hanno fabbricato un oggetto fluorescente stampato in micro-3D che indica "DOE" se visto da diverse angolazioni. Hanno scattato una foto dell'oggetto con la loro cupola a specchio e hanno mostrato che potevano, in effetti, raccogliere la luce da un numero di angolazioni diverse e mantenere tutte le immagini a fuoco. Inoltre, la loro ricostruzione 3D era così accurata da rivelare un piccolo difetto nella fabbricazione dell'oggetto "DOE":un braccio della "E" leggermente piegato verso il basso.

Il passo successivo, hanno detto i ricercatori, è costruire una nuova versione per testare l'idea in un interferometro atomico più piccolo a Stanford, che produrrebbe le prime immagini 3D di nubi di atomi. Quella versione della cupola a specchio si troverebbe all'esterno della camera contenente la nuvola di atomi, quindi se quei test avranno esito positivo il team costruirà una versione in acciaio inossidabile dell'impalcatura a specchio adatta alle condizioni di vuoto all'interno di un interferometro atomico.

Schwartzman ha affermato che le idee sviluppate da Cheong, Safdari e dal resto del team potrebbero essere utili al di là degli esperimenti di fisica. "È un dispositivo nuovo. La nostra applicazione è l'interferometria atomica, ma potrebbe essere utile in altre applicazioni", ha affermato, come il controllo qualità per la fabbricazione di piccoli oggetti nell'industria. + Esplora ulteriormente

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