Nysgerrighed, teknologi driver søgen efter universets grundlæggende hemmeligheder

Argonne-drevet teknologi er en del af et bredt initiativ til at besvare grundlæggende spørgsmål om stoffets fødsel i universet og de byggesten, der holder det hele sammen.

Forestil dig den første af vores arter, der ligger under skæret fra en aftenhimmel. En enorm følelse af ærefrygt, måske lidt frygt, fylder dem, mens de undrer sig over disse tilsyneladende uendelige lyspunkter, og hvad de kan betyde. Som mennesker, vi udviklede evnen til at stille store indsigtsfulde spørgsmål om verden omkring os og verdener uden for os. Vi tør, også selvom, at stille spørgsmålstegn ved vores egen oprindelse.

"Menneskets plads i universet er vigtig at forstå, " sagde fysiker og beregningsforsker Salman Habib. "Når du indser, at der er milliarder af galakser, vi kan opdage, hver med mange milliarder stjerner, du forstår det ubetydelige i at være menneske i en eller anden forstand. Men samtidig, du sætter meget mere pris på at være menneske."

Med ikke mindre en følelse af undren end de fleste af os, Habib og kolleger ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory forsker aktivt i disse spørgsmål gennem et initiativ, der undersøger de grundlæggende komponenter i både partikelfysik og astrofysik.

Omfanget af Argonnes forskning på disse områder er ufatteligt. Det tager os tilbage til selve kanten af ​​tiden, til en uendelig lille del af et sekund efter Big Bang, da tilfældige udsving i temperatur og tæthed opstod, til sidst danner ynglepladser for galakser og planeter.

Det udforsker hjertet af protoner og neutroner for at forstå de mest fundamentale konstruktioner af det synlige univers, partikler og energi engang fri i det tidlige post-Big Bang-univers, men senere for evigt indespærret i en grundlæggende atomstruktur, da det univers begyndte at afkøle.

Og den adresserer lidt nyere, mere kontroversielle spørgsmål om karakteren af ​​mørkt stof og mørk energi, som begge spiller en dominerende rolle i universets makeup og dynamik, men som er lidt forstået.

"Og denne forskning i verdensklasse, vi laver, kunne ikke ske uden fremskridt inden for teknologi, " sagde Argonne Associate Laboratory Director Kawtar Hafidi, som var med til at definere og fusionere de forskellige aspekter af initiativet.

"Vi udvikler og fremstiller detektorer, der søger efter signaturer fra det tidlige univers eller forbedrer vores forståelse af det mest fundamentale af partikler, " tilføjede hun. "Og fordi alle disse detektorer skaber store data, der skal analyseres, vi udvikler, blandt andet, kunstig intelligens-teknikker til at gøre det også."

Afkodning af beskeder fra universet

At udforme en teori om universet på kosmisk eller subatomisk skala kræver en kombination af observationer, eksperimenter, teorier, simuleringer og analyser, hvilket igen kræver adgang til verdens mest sofistikerede teleskoper, partikelkolliderer, detektorer og supercomputere.

Argonne er unikt egnet til denne mission, udstyret som det er med mange af disse værktøjer, evnen til at fremstille andre og samarbejdsprivilegier med andre føderale laboratorier og førende forskningsinstitutioner for at få adgang til andre kapaciteter og ekspertise.

Som leder af initiativets kosmologiske komponent, Habib bruger mange af disse værktøjer i sin søgen efter at forstå universets oprindelse, og hvad der får det til at tikke.

Og hvilken bedre måde at gøre det på end at observere det, han sagde.

"Hvis du ser på universet som et laboratorium, så burde vi selvfølgelig studere det og prøve at finde ud af, hvad det fortæller os om grundlæggende videnskab, " bemærkede Habib. "Så, en del af det, vi forsøger at gøre, er at bygge stadig mere følsomme sonder til at tyde, hvad universet forsøger at fortælle os."

Til dato, Argonne er involveret i flere vigtige himmelundersøgelser, som bruger en række observationsplatforme, som teleskoper og satellitter, at kortlægge forskellige hjørner af universet og indsamle information, der fremmer eller afviser en specifik teori.

For eksempel, undersøgelsen af ​​South Pole Telescope, et samarbejde mellem Argonne og en række nationale laboratorier og universiteter, måler den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB), betragtes som det ældste lys i universet. Variationer i CMB-egenskaber, såsom temperatur, signalere de oprindelige fluktuationer i tæthed, der i sidste ende førte til al den synlige struktur i universet.

Derudover Dark Energy Spectroscopic Instrument og det kommende Vera C. Rubin Observatory er specielt udstyret, jordbaserede teleskoper designet til at kaste lys over mørk energi og mørkt stof, samt dannelsen af ​​lysende struktur i universet.

Mørkere sager

Alle datasæt afledt af disse observationer er forbundet med den anden komponent af Argonnes kosmologiske push, som kredser om teori og modellering. Kosmologer kombinerer observationer, målinger og fysikkens fremherskende love for at danne teorier, der løser nogle af universets mysterier.

Men universet er komplekst, og det har en irriterende tendens til at kaste en kurvebold, lige når vi troede, vi havde en teori på spil. Opdagelser inden for de sidste 100 år har afsløret, at universet både udvider og accelererer sin ekspansion - erkendelser, der kom som separate, men lige store overraskelser.

"At sige, at vi forstår universet, ville være forkert. At sige, at vi på en måde forstår det, er fint, " udbrød Habib. "Vi har en teori, der beskriver, hvad universet laver, men hver gang universet overrasker os, vi er nødt til at tilføje en ny ingrediens til den teori."

Modellering hjælper videnskabsmænd med at få et klarere billede af, om og hvordan disse nye ingredienser passer til en teori. De laver forudsigelser for observationer, der endnu ikke er lavet, fortæller observatører, hvilke nye målinger de skal tage.

Habibs gruppe anvender den samme slags proces for at få et altid så foreløbigt greb om naturen af ​​mørk energi og mørkt stof. Mens videnskabsmænd kan fortælle os, at begge findes, at de udgør omkring 68 og 26% af universet, henholdsvis, derudover vides ikke meget.

Observationer af kosmologisk struktur - fordelingen af ​​galakser og endda deres former - giver fingerpeg om naturen af ​​mørkt stof, som igen fodrer simple mørkt stof-modeller og efterfølgende forudsigelser. Hvis observationer, modeller og forudsigelser er ikke i overensstemmelse, der fortæller forskerne, at der muligvis mangler en ingrediens i deres beskrivelse af mørkt stof.

Men der er også eksperimenter, der leder efter direkte beviser for mørkt stof partikler, som kræver meget følsomme detektorer. Argonne har igangsat udvikling af specialiseret superledende detektorteknologi til detektion af mørkt stof med lav masse.

Denne teknologi kræver evnen til at kontrollere egenskaberne af lagdelte materialer og justere temperaturen, hvor materialet går fra begrænset til nul modstand, når det bliver en superleder. Og i modsætning til andre applikationer, hvor videnskabsmænd gerne vil have denne temperatur til at være så høj som muligt - stuetemperatur, for eksempel - her, overgangen skal være meget tæt på det absolutte nul.

Habib omtaler disse mørkestofdetektorer som fælder, som dem, der bruges til jagt - som, i det væsentlige, er, hvad kosmologer gør. Fordi det er muligt, at mørkt stof ikke kun findes i én art, de har brug for forskellige typer fælder.

"Det er næsten som om du er i en jungle på jagt efter et bestemt dyr, men du ved ikke helt hvad det er - det kunne være en fugl, en slange, en tiger – så du bygger forskellige slags fælder, " han sagde.

Laboratorieforskere arbejder på teknologier til at fange disse undvigende arter gennem nye klasser af mørkt stof-søgninger. Samarbejde med andre institutioner, de er nu ved at designe og bygge et første sæt pilotprojekter, der sigter på at lede efter mørkt stof-kandidater med lav masse.

Tuner ind på det tidlige univers

Amy Bender arbejder på en anden slags detektor – ja, en masse detektorer - som er kernen i en undersøgelse af den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB).

"CMB er stråling, der har eksisteret i universet i 13 milliarder år, og det måler vi direkte, " sagde Bender, en assisterende fysiker i Argonne.

De Argonne-udviklede detektorer - alle 16, 000 af dem - indfang fotoner, eller lette partikler, fra den oprindelige himmel gennem det førnævnte sydpolteleskop, at hjælpe med at besvare spørgsmål om det tidlige univers, grundlæggende fysik og dannelsen af ​​kosmiske strukturer.

Nu, CMB's eksperimentelle indsats bevæger sig ind i en ny fase, CMB-trin 4 (CMB-S4). Dette større projekt behandler endnu mere komplekse emner som inflationsteori, hvilket tyder på, at universet udvidede sig hurtigere end lysets hastighed i en brøkdel af et sekund, kort efter Big Bang.

Selvom videnskaben er fantastisk, teknologien til at bringe os derhen er lige så fascinerende.

Teknisk kaldet transition edge sensing (TES) bolometre, detektorerne på teleskopet er lavet af superledende materialer fremstillet på Argonne's Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science brugerfacilitet.

Hver af de 16, 000 detektorer fungerer som en kombination af meget følsomt termometer og kamera. Da indkommende stråling absorberes på overfladen af ​​hver detektor, målinger foretages ved at underkøle dem til en brøkdel af en grad over det absolutte nulpunkt. (Det er over tre gange så koldt som Antarktis laveste registrerede temperatur.)

Ændringer i varme måles og registreres som ændringer i elektrisk modstand og vil hjælpe med at informere et kort over CMB'ens intensitet på tværs af himlen.

CMB-S4 vil fokusere på nyere teknologi, der vil give forskere mulighed for at skelne meget specifikke mønstre i lys, eller polariseret lys. I dette tilfælde, de leder efter det, Bender kalder polarisationens hellige gral, et mønster kaldet B-tilstande.

At fange dette signal fra det tidlige univers - et langt svagere end intensitetssignalet - vil hjælpe med enten at bekræfte eller modbevise en generisk forudsigelse af inflation.

Det vil også kræve tilføjelse af 500, 000 detektorer fordelt på 21 teleskoper i to adskilte regioner i verden, Sydpolen og den chilenske ørken. der, den store højde og ekstremt tørre forhold forhindrer vanddamp i atmosfæren i at absorbere millimeterbølgelængdelys, ligesom CMB.

Mens tidligere eksperimenter har berørt denne polarisering, det store antal nye detektorer vil forbedre følsomheden over for den polarisering og øge vores evne til at fange den.

"Bogstaveligt talt, vi har bygget disse kameraer helt fra bunden, " sagde Bender. "Vores innovation er, hvordan man får disse stakke af superledende materialer til at arbejde sammen i denne detektor, hvor du skal koble mange komplekse faktorer og derefter faktisk læse resultaterne op med TES. Og det er der, Argonne har bidraget, enormt."

Ned til det grundlæggende

Argonnes evner inden for detektorteknologi stopper ikke bare på kanten af ​​tiden, initiativets undersøgelser ser heller ikke bare på det store billede.

Det meste af det synlige univers, inklusive galakser, stjerner, planeter og mennesker, består af protoner og neutroner. At forstå de mest fundamentale komponenter i disse byggeklodser, og hvordan de interagerer for at lave atomer og molekyler og næsten alt muligt andet er fysikere som Zein-Eddine Meziani.

"Fra perspektivet af fremtiden for mit felt, dette initiativ er ekstremt vigtigt, " sagde Meziani, der leder Argonnes Medium Energy Physics-gruppe. "Det har givet os muligheden for rent faktisk at udforske nye koncepter, udvikle en bedre forståelse af videnskaben og en vej til at indgå i større samarbejder og tage noget lederskab."

At gå i spidsen for initiativets kernefysiske komponent, Meziani styrer Argonne mod en væsentlig rolle i udviklingen af ​​Electron-Ion Collider, en ny US Nuclear Physics Program-facilitet, der skal bygges ved DOE's Brookhaven National Laboratory.

Argonnes primære interesse i kollideren er at belyse den rolle, som kvarker, anti-kvarker og gluoner spiller til at give masse og et kvante vinkelmomentum, kaldet spin, til protoner og neutroner - nukleoner - de partikler, der udgør kernen i et atom.

Mens vi engang troede, at nukleoner var de endelige fundamentale partikler af et atom, fremkomsten af ​​kraftige partikelkollidere, som Stanford Linear Accelerator Center ved Stanford University og den tidligere Tevatron ved DOE's Fermilab, bevist det modsatte.

Det viser sig, at kvarker og gluoner var uafhængige af nukleoner i de ekstreme energitætheder i det tidlige univers; efterhånden som universet udvidede sig og afkølede, de forvandlede sig til almindeligt stof.

"Der var engang, hvor kvarker og gluoner var frie i en stor suppe, hvis du vil, men vi har aldrig set dem frie, " forklarede Meziani. "Så, vi forsøger at forstå, hvordan universet fangede al denne energi, der var der, og satte den ind i afgrænsede systemer, som disse dråber kalder vi protoner og neutroner."

Noget af den energi er bundet op i gluoner, hvilken, på trods af at de ikke har nogen masse, tildele størstedelen af ​​massen til en proton. Så, Meziani håber, at Electron-Ion Collider vil give videnskaben mulighed for at udforske – blandt andre egenskaber – oprindelsen af ​​masse i universet gennem en detaljeret udforskning af gluoner.

Og ligesom Amy Bender leder efter B-modes polarisering i CMB, Meziani og andre forskere håber på at bruge en meget specifik partikel kaldet en J/psi til at give et klarere billede af, hvad der foregår inde i en protons gluoniske felt.

Men at producere og detektere J/psi-partiklen i kollideren - samtidig med at det sikres, at protonmålet ikke går i stykker - er en vanskelig virksomhed, som kræver nye teknologier. Igen, Argonne placerer sig selv i spidsen for denne bestræbelse.

"Vi arbejder på de konceptuelle designs af teknologier, der vil være ekstremt vigtige for detektering af disse typer partikler, såvel som for at teste koncepter for anden videnskab, der vil blive udført ved Electron-Ion Collider, " sagde Meziani.

Argonne producerer også detektorer og relaterede teknologier i sin søgen efter et fænomen kaldet neutrinoløst dobbelt beta-henfald. En neutrino er en af ​​de partikler, der udsendes under processen med neutronradioaktivt beta-henfald og fungerer som en lille, men mægtig forbindelse mellem partikelfysik og astrofysik.

"Neutrinoløst dobbelt beta-henfald kan kun ske, hvis neutrinoen er sin egen anti-partikel, " sagde Hafidi. "Hvis eksistensen af ​​disse meget sjældne henfald bekræftes, det ville have vigtige konsekvenser for at forstå, hvorfor der er mere stof end antistof i universet."

Argonne-forskere fra forskellige områder af laboratoriet arbejder på Neutrino Experiment with Xenon Time Projection Chamber (NEXT) samarbejde for at designe og prototype nøglesystemer til samarbejdets næste store eksperiment. Dette omfatter udvikling af en enestående testfacilitet og et F&U-program for nye, specialiserede detektorsystemer.

"Vi arbejder virkelig på dramatiske nye ideer, " sagde Meziani. "Vi investerer i visse teknologier for at producere nogle principielle beviser, som det vil være dem, vi skal forfølge senere, at de teknologiske gennembrud, der vil bringe os til den højeste følsomhedsdetektion af denne proces, vil blive drevet af Argonne."

Detektionsværktøjerne

Ultimativt, Grundvidenskab er videnskab afledt af menneskelig nysgerrighed. Og selvom vi måske ikke altid ser grunden til at forfølge det, oftere end ikke, grundlæggende videnskab producerer resultater, der gavner os alle. Nogle gange er det et glædeligt svar på et ældgammelt spørgsmål, andre gange er det et teknologisk gennembrud beregnet til én videnskab, der viser sig nyttig i en lang række andre applikationer.

Gennem deres forskellige indsatser, Argonne-forskere sigter mod begge resultater. Men det kræver mere end nysgerrighed og hjernekraft at løse de spørgsmål, de stiller. Det vil tage vores færdigheder til værktøjsfremstilling, som teleskoperne, der kigger dybt ind i himlen og detektorerne, der fanger antydninger af det tidligste lys eller de mest undvigende partikler.

Vi bliver nødt til at bruge den ultrahurtige computerkraft fra nye supercomputere. Argonnes kommende Aurora exascale-maskine vil analysere bjerge af data for at få hjælp til at skabe massive modeller, der simulerer dynamikken i universet eller den subatomære verden, hvilken, på tur, kan guide nye eksperimenter – eller introducere nye spørgsmål.

Og vi vil anvende kunstig intelligens til at genkende mønstre i komplekse observationer - på subatomare og kosmiske skalaer - langt hurtigere end det menneskelige øje kan, eller brug det til at optimere maskineri og eksperimenter for større effektivitet og hurtigere resultater.

"Jeg tror, ​​vi har fået fleksibiliteten til at udforske nye teknologier, der vil give os mulighed for at besvare de store spørgsmål, " sagde Bender. "Det, vi udvikler, er så banebrydende, man ved aldrig, hvor det dukker op i hverdagen."