Door argonne aangedreven technologie maakt deel uit van een breed initiatief om fundamentele vragen te beantwoorden over het ontstaan ​​van materie in het universum en de bouwstenen die alles bij elkaar houden.

Stel je voor dat de eerste van onze soort onder de gloed van een avondlucht ligt. Een enorm gevoel van ontzag, misschien een beetje angst, vervult hen terwijl ze zich verwonderen over die schijnbaar oneindige lichtpunten en wat ze zouden kunnen betekenen. als mensen, we hebben het vermogen ontwikkeld om grote inzichtelijke vragen te stellen over de wereld om ons heen en de werelden buiten ons. Wij durven, ook al, om onze eigen afkomst in twijfel te trekken.

"De plaats van de mens in het universum is belangrijk om te begrijpen, " zei natuurkundige en computerwetenschapper Salman Habib. "Als je eenmaal beseft dat er miljarden sterrenstelsels zijn die we kunnen detecteren, elk met vele miljarden sterren, je begrijpt de onbeduidendheid van het mens zijn in zekere zin. Maar op het zelfde moment, je waardeert het mens zijn veel meer."

Met niet minder verwondering dan de meesten van ons, Habib en collega's van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) doen actief onderzoek naar deze vragen via een initiatief dat de fundamentele componenten van zowel deeltjesfysica als astrofysica onderzoekt.

De reikwijdte van Argonne's onderzoek op deze gebieden is verbijsterend. Het brengt ons terug naar de rand van de tijd zelf, tot een oneindig klein deel van een seconde na de oerknal toen willekeurige fluctuaties in temperatuur en dichtheid optraden, uiteindelijk vormen ze de broedplaatsen van sterrenstelsels en planeten.

Het onderzoekt het hart van protonen en neutronen om de meest fundamentele constructies van het zichtbare universum te begrijpen, deeltjes en energie die ooit vrij waren in het vroege post-oerknal-universum, maar later voor altijd opgesloten in een fundamentele atomaire structuur toen dat universum begon af te koelen.

En het richt zich op iets nieuwere, meer controversiële vragen over de aard van donkere materie en donkere energie, beide spelen een dominante rol in de samenstelling en dynamiek van het universum, maar worden weinig begrepen.

"En dit onderzoek van wereldklasse dat we doen, zou niet kunnen plaatsvinden zonder technologische vooruitgang, " zei Argonne Associate Laboratory Director Kawtar Hafidi, die hielpen bij het definiëren en samenvoegen van de verschillende aspecten van het initiatief.

"We ontwikkelen en fabriceren detectoren die zoeken naar handtekeningen uit het vroege heelal of die ons begrip van de meest fundamentele deeltjes vergroten, " voegde ze eraan toe. "En omdat al deze detectoren big data creëren die geanalyseerd moeten worden, wij zijn aan het ontwikkelen, onder andere, kunstmatige intelligentie technieken om dat ook te doen."

Berichten uit het universum decoderen

Het uitwerken van een theorie van het universum op kosmische of subatomaire schaal vereist een combinatie van waarnemingen, experimenten, theorieën, simulaties en analyses, die op zijn beurt toegang vereist tot 's werelds meest geavanceerde telescopen, deeltjesversnellers, detectoren en supercomputers.

Argonne is bij uitstek geschikt voor deze missie, uitgerust zoals het is met veel van die gereedschappen, het vermogen om anderen te produceren en samenwerkingsprivileges met andere federale laboratoria en toonaangevende onderzoeksinstellingen om toegang te krijgen tot andere capaciteiten en expertise.

Als leider van de kosmologiecomponent van het initiatief, Habib gebruikt veel van deze hulpmiddelen in zijn zoektocht om de oorsprong van het universum te begrijpen en wat het drijft.

En wat is een betere manier om dat te doen dan door het te observeren, hij zei.

"Als je naar het universum kijkt als een laboratorium, dan moeten we het natuurlijk bestuderen en proberen te achterhalen wat het ons vertelt over fundamentele wetenschap, " merkte Habib op. "Dus, een deel van wat we proberen te doen is steeds gevoeligere sondes bouwen om te ontcijferen wat het universum ons probeert te vertellen."

Daten, Argonne is betrokken bij verschillende belangrijke luchtonderzoeken, die een reeks observatieplatforms gebruiken, zoals telescopen en satellieten, om verschillende hoeken van het universum in kaart te brengen en informatie te verzamelen die een specifieke theorie bevordert of verwerpt.

Bijvoorbeeld, het onderzoek door de Zuidpooltelescoop, een samenwerking tussen Argonne en een aantal nationale laboratoria en universiteiten, meet de kosmische microgolfachtergrond (CMB), beschouwd als het oudste licht in het heelal. Variaties in CMB-eigenschappen, zoals temperatuur, signaleren de oorspronkelijke fluctuaties in dichtheid die uiteindelijk hebben geleid tot alle zichtbare structuur in het universum.

Aanvullend, het Dark Energy Spectroscopic Instrument en het aanstaande Vera C. Rubin Observatory zijn speciaal uitgerust, telescopen op de grond ontworpen om licht te werpen op donkere energie en donkere materie, evenals de vorming van lichtgevende structuur in het universum.

Donkere zaken

Alle datasets die zijn afgeleid van deze waarnemingen zijn verbonden met de tweede component van Argonne's kosmologie-push, die draait om theorie en modellering. Kosmologen combineren waarnemingen, metingen en de heersende natuurwetten om theorieën te vormen die enkele van de mysteries van het universum oplossen.

Maar het universum is complex, en het heeft een vervelende neiging om een ​​kromme bal te gooien net toen we dachten dat we een theorie hadden cinched. Ontdekkingen in de afgelopen 100 jaar hebben onthuld dat het universum zowel uitdijt als versnelt - realisaties die als afzonderlijke maar even grote verrassingen kwamen.

"Zeggen dat we het universum begrijpen, zou onjuist zijn. Om te zeggen dat we het een beetje begrijpen, is prima, " riep Habib uit. "We hebben een theorie die beschrijft wat het universum doet, maar elke keer dat het universum ons verrast, we moeten een nieuw ingrediënt aan die theorie toevoegen."

Modellering helpt wetenschappers om een ​​duidelijker beeld te krijgen of en hoe die nieuwe ingrediënten in een theorie passen. Ze doen voorspellingen voor waarnemingen die nog niet zijn gedaan, waarnemers vertellen welke nieuwe metingen ze moeten doen.

De groep van Habib past hetzelfde soort proces toe om een ​​altijd zo voorzichtig begrip te krijgen van de aard van donkere energie en donkere materie. Hoewel wetenschappers ons kunnen vertellen dat beide bestaan, dat ze ongeveer 68 en 26% van het heelal uitmaken, respectievelijk, verder is er niet veel anders bekend.

Waarnemingen van de kosmologische structuur - de verdeling van sterrenstelsels en zelfs hun vormen - geven aanwijzingen over de aard van donkere materie, die op zijn beurt eenvoudige modellen van donkere materie en daaropvolgende voorspellingen voedt. Als observaties, modellen en voorspellingen komen niet overeen, dat vertelt wetenschappers dat er misschien een ingrediënt ontbreekt in hun beschrijving van donkere materie.

Maar er zijn ook experimenten die op zoek zijn naar direct bewijs van donkere materiedeeltjes, waarvoor zeer gevoelige detectoren nodig zijn. Argonne is begonnen met de ontwikkeling van gespecialiseerde supergeleidende detectortechnologie voor de detectie van donkere materiedeeltjes met een lage massa.

Deze technologie vereist het vermogen om de eigenschappen van gelaagde materialen te regelen en de temperatuur aan te passen waar het materiaal overgaat van eindige naar nulweerstand, wanneer het een supergeleider wordt. En in tegenstelling tot andere toepassingen waarbij wetenschappers deze temperatuur zo hoog mogelijk willen hebben:kamertemperatuur, bijvoorbeeld - hier, de overgang moet heel dicht bij het absolute nulpunt zijn.

Habib noemt deze donkere-materiedetectoren vallen, zoals die worden gebruikt voor de jacht - die, in essentie, is wat kosmologen doen. Omdat het mogelijk is dat donkere materie niet in slechts één soort voorkomt, ze hebben verschillende soorten vallen nodig.

"Het is bijna alsof je in een jungle op zoek bent naar een bepaald dier, maar je weet niet precies wat het is - het kan een vogel zijn, een slang, een tijger - dus je bouwt verschillende soorten vallen, " hij zei.

Laboratoriumonderzoekers werken aan technologieën om deze ongrijpbare soorten te vangen door middel van nieuwe klassen van zoekopdrachten naar donkere materie. Samenwerken met andere instellingen, ze zijn nu bezig met het ontwerpen en bouwen van een eerste set proefprojecten gericht op het zoeken naar donkeremateriekandidaten met een lage massa.

Afstemmen op het vroege heelal

Amy Bender werkt aan een ander soort detector - nou ja, veel detectoren - die de kern vormen van een onderzoek naar de kosmische microgolfachtergrond (CMB).

"De CMB is straling die al 13 miljard jaar in het universum aanwezig is, en dat meten we direct, " zei Bender, een assistent-fysicus bij Argonne.

De door Argonne ontwikkelde detectoren - alle 16, 000 van hen - fotonen vastleggen, of lichte deeltjes, van die oerhemel door de eerder genoemde Zuidpooltelescoop, om vragen over het vroege heelal te beantwoorden, fundamentele fysica en de vorming van kosmische structuren.

Nutsvoorzieningen, de experimentele inspanning van CMB gaat een nieuwe fase in, CMB-Fase 4 (CMB-S4). Dit grotere project pakt nog complexere onderwerpen aan, zoals inflatietheorie, wat suggereert dat het heelal een fractie van een seconde sneller uitdijde dan de lichtsnelheid, kort na de oerknal.

Hoewel de wetenschap verbazingwekkend is, de technologie om ons daar te krijgen is net zo fascinerend.

Technisch genoemd transitie edge sensing (TES) bolometers, de detectoren op de telescoop zijn gemaakt van supergeleidende materialen vervaardigd in Argonne's Center for Nanoscale Materials, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

Elk van de 16 000 detectoren fungeren als een combinatie van een zeer gevoelige thermometer en camera. Aangezien binnenkomende straling wordt geabsorbeerd op het oppervlak van elke detector, metingen worden gedaan door ze onder te koelen tot een fractie van een graad boven het absolute nulpunt. (Dat is meer dan drie keer zo koud als de laagste geregistreerde temperatuur van Antarctica.)

Veranderingen in warmte worden gemeten en geregistreerd als veranderingen in elektrische weerstand en zullen helpen bij het informeren van een kaart van de intensiteit van de CMB aan de hemel.

CMB-S4 zal zich richten op nieuwere technologie waarmee onderzoekers zeer specifieke patronen in licht kunnen onderscheiden, of gepolariseerd licht. In dit geval, ze zijn op zoek naar wat Bender de Heilige Graal van polarisatie noemt, een patroon genaamd B-modes.

Het vastleggen van dit signaal van het vroege heelal - een signaal dat veel zwakker is dan het intensiteitssignaal - zal helpen om een ​​algemene voorspelling van inflatie te bevestigen of te ontkrachten.

Het vereist ook de toevoeging van 500, 000 detectoren verdeeld over 21 telescopen in twee verschillende regio's van de wereld, de Zuidpool en de Chileense woestijn. Daar, de grote hoogte en extreem droge omstandigheden zorgen ervoor dat waterdamp in de atmosfeer geen millimetergolflengtelicht absorbeert, zoals die van de CMB.

Terwijl eerdere experimenten deze polarisatie hebben aangeroerd, het grote aantal nieuwe detectoren zal de gevoeligheid voor die polarisatie verbeteren en ons vermogen om het te vangen vergroten.

"Letterlijk, we hebben deze camera's volledig vanaf de grond opgebouwd, "zei Bender. "Onze innovatie is hoe we deze stapels supergeleidende materialen kunnen laten samenwerken binnen deze detector, waarbij je veel complexe factoren aan elkaar moet koppelen en vervolgens de resultaten daadwerkelijk moet uitlezen met de TES. En dat is waar Argonne heeft bijgedragen, enorm."

Tot de basis

Argonne's mogelijkheden op het gebied van detectortechnologie stoppen niet alleen aan de rand van de tijd, evenmin kijken de onderzoeken van het initiatief alleen naar het grote geheel.

Het grootste deel van het zichtbare heelal, inclusief sterrenstelsels, sterren, planeten en mensen, bestaan ​​uit protonen en neutronen. Het begrijpen van de meest fundamentele componenten van die bouwstenen en hoe ze op elkaar inwerken om atomen en moleculen te maken en zo ongeveer al het andere, is het domein van natuurkundigen zoals Zein-Eddine Meziani.

"Vanuit het perspectief van de toekomst van mijn vakgebied, dit initiatief is uiterst belangrijk, " zei Meziani, die de Medium Energy Physics-groep van Argonne leidt. "Het heeft ons de mogelijkheid gegeven om daadwerkelijk nieuwe concepten te verkennen, een beter begrip van de wetenschap ontwikkelen en een pad ontwikkelen om grotere samenwerkingen aan te gaan en wat leiderschap te nemen."

De leiding nemen over de kernfysica-component van het initiatief, Meziani stuurt Argonne naar een belangrijke rol in de ontwikkeling van de Electron-Ion Collider, een nieuwe U.S. Nuclear Physics Program-faciliteit gepland voor bouw in het Brookhaven National Laboratory van DOE.

Argonne's primaire interesse in de versneller is het ophelderen van de rol die quarks, anti-quarks en gluonen spelen bij het geven van massa en een kwantumimpulsmoment, genaamd spin, tot protonen en neutronen - nucleonen - de deeltjes die de kern van een atoom vormen.

Terwijl we ooit dachten dat nucleonen de eindige fundamentele deeltjes van een atoom waren, de opkomst van krachtige deeltjesversnellers, zoals het Stanford Linear Accelerator Center aan de Stanford University en het voormalige Tevatron bij DOE's Fermilab, het tegendeel bewezen.

Het blijkt dat quarks en gluonen onafhankelijk waren van nucleonen in de extreme energiedichtheden van het vroege heelal; toen het heelal uitdijde en afkoelde, ze veranderden in gewone materie.

"Er was een tijd dat quarks en gluonen vrij waren in een grote soep, als je wil, maar we hebben ze nog nooit vrij gezien, " legde Meziani uit. "Dus, we proberen te begrijpen hoe het universum al deze energie die er was, heeft opgevangen en in beperkte systemen heeft gestopt, zoals deze druppeltjes noemen we protonen en neutronen."

Een deel van die energie zit vast in gluonen, die, ondanks het feit dat ze geen massa hebben, het grootste deel van de massa aan een proton geven. Dus, Meziani hoopt dat de Electron-Ion Collider de wetenschap in staat zal stellen om - naast andere eigenschappen - de oorsprong van massa in het universum te onderzoeken door middel van een gedetailleerde verkenning van gluonen.

En net zoals Amy Bender op zoek is naar de B-modes polarisatie in de CMB, Meziani en andere onderzoekers hopen een heel specifiek deeltje, J/psi genaamd, te gebruiken om een ​​duidelijker beeld te geven van wat er in het gluonisch veld van een proton gebeurt.

Maar het produceren en detecteren van het J/psi-deeltje in de versneller - en er tegelijkertijd voor zorgen dat het protondoel niet uit elkaar valt - is een lastige onderneming, waarvoor nieuwe technologieën nodig zijn. Opnieuw, Argonne positioneert zich in de voorhoede van dit streven.

"We werken aan de conceptuele ontwerpen van technologieën die uiterst belangrijk zullen zijn voor de detectie van dit soort deeltjes, evenals voor het testen van concepten voor andere wetenschap die zal worden uitgevoerd bij de Electron-Ion Collider, ' zei Meziani.

Argonne produceert ook detectoren en aanverwante technologieën in zijn zoektocht naar een fenomeen dat neutrinoloos dubbel bètaverval wordt genoemd. Een neutrino is een van de deeltjes die worden uitgestoten tijdens het proces van radioactief bètaverval van neutronen en dient als een kleine maar krachtige verbinding tussen deeltjesfysica en astrofysica.

"Neutrinoloos dubbel bètaverval kan alleen plaatsvinden als het neutrino zijn eigen antideeltje is, " zei Hafidi. "Als het bestaan ​​van deze zeer zeldzame vervalsingen wordt bevestigd, het zou belangrijke gevolgen hebben om te begrijpen waarom er meer materie dan antimaterie in het universum is."

Wetenschappers van Argonne uit verschillende delen van het laboratorium werken aan de samenwerking Neutrino Experiment with Xenon Time Projection Chamber (NEXT) om sleutelsystemen te ontwerpen en prototypen voor het volgende grote experiment van het samenwerkingsverband. Dit omvat de ontwikkeling van een unieke testfaciliteit en een R&D-programma voor nieuwe, gespecialiseerde detectiesystemen.

"We werken echt aan dramatische nieuwe ideeën, "zei Meziani. "We investeren in bepaalde technologieën om enig principebewijs te produceren dat later degenen zullen zijn die we zullen nastreven, dat de technologische doorbraken die ons naar de hoogste gevoeligheidsdetectie van dit proces zullen brengen, zullen worden aangedreven door Argonne."

De instrumenten van detectie

uiteindelijk, fundamentele wetenschap is wetenschap die voortkomt uit menselijke nieuwsgierigheid. En hoewel we misschien niet altijd de reden zien om het na te streven, vaak, fundamentele wetenschap levert resultaten op die ons allemaal ten goede komen. Soms is het een bevredigend antwoord op een eeuwenoude vraag, andere keren is het een technologische doorbraak bedoeld voor één wetenschap die nuttig blijkt in tal van andere toepassingen.

Door hun verschillende inspanningen, Wetenschappers van Argonne streven naar beide uitkomsten. Maar er is meer nodig dan nieuwsgierigheid en hersenkracht om de vragen die ze stellen op te lossen. Het vereist onze vaardigheden bij het maken van gereedschappen, zoals de telescopen die diep in de hemel turen en de detectoren die hints van het vroegste licht of de meest ongrijpbare deeltjes vangen.

We zullen gebruik moeten maken van de ultrasnelle rekenkracht van nieuwe supercomputers. Argonne's aanstaande Aurora exascale-machine zal bergen gegevens analyseren voor hulp bij het maken van enorme modellen die de dynamiek van het universum of de subatomaire wereld simuleren, die, beurtelings, nieuwe experimenten zou kunnen leiden, of nieuwe vragen zou kunnen introduceren.

En we zullen kunstmatige intelligentie toepassen om patronen te herkennen in complexe waarnemingen - op subatomaire en kosmische schaal - veel sneller dan het menselijk oog kan, of gebruik het om machines en experimenten te optimaliseren voor meer efficiëntie en snellere resultaten.

"Ik denk dat we de flexibiliteit hebben gekregen om nieuwe technologieën te verkennen waarmee we de grote vragen kunnen beantwoorden, " zei Bender. "Wat we aan het ontwikkelen zijn, is zo geavanceerd, je weet nooit waar het in het dagelijks leven zal verschijnen."