A tecnologia orientada por Argonne é parte de uma ampla iniciativa para responder a questões fundamentais sobre o nascimento da matéria no universo e os blocos de construção que a mantêm unida.

Imagine o primeiro de nossa espécie a se deitar sob o brilho de um céu noturno. Uma enorme sensação de admiração, talvez um pouco de medo, os preenche enquanto eles se perguntam sobre aqueles pontos de luz aparentemente infinitos e o que eles podem significar. Como humanos, desenvolvemos a capacidade de fazer grandes perguntas perspicazes sobre o mundo ao nosso redor e os mundos além de nós. Nós desafiamos, até, para questionar nossas próprias origens.

"É importante entender o lugar dos humanos no universo, "disse o físico e cientista computacional Salman Habib." Depois de perceber que existem bilhões de galáxias que podemos detectar, cada um com muitos bilhões de estrelas, você entende a insignificância de ser humano em algum sentido. Mas ao mesmo tempo, você aprecia ser humano muito mais. "

Com não menos sensação de admiração do que a maioria de nós, Habib e colegas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) estão pesquisando ativamente essas questões por meio de uma iniciativa que investiga os componentes fundamentais da física de partículas e da astrofísica.

A amplitude da pesquisa de Argonne nessas áreas é estonteante. Isso nos leva de volta ao limite do próprio tempo, a uma porção infinitesimalmente pequena de segundo após o Big Bang, quando flutuações aleatórias de temperatura e densidade surgiram, eventualmente formando os criadouros de galáxias e planetas.

Ele explora o coração de prótons e nêutrons para compreender as construções mais fundamentais do universo visível, partículas e energia uma vez livres no início do universo pós-Big Bang, mas mais tarde confinado para sempre dentro de uma estrutura atômica básica quando o universo começou a esfriar.

E aborda um pouco mais recente, questões mais controversas sobre a natureza da matéria escura e energia escura, Ambos desempenham um papel dominante na constituição e dinâmica do universo, mas são pouco compreendidos.

"E essa pesquisa de nível mundial que estamos fazendo não poderia acontecer sem os avanços da tecnologia, "disse o Diretor do Laboratório Associado da Argonne, Kawtar Hafidi, que ajudaram a definir e fundir os diferentes aspectos da iniciativa.

"Estamos desenvolvendo e fabricando detectores que buscam assinaturas do universo primordial ou aumentam nossa compreensão do mais fundamental das partículas, "ela acrescentou." E como todos esses detectores criam grandes dados que precisam ser analisados, estamos desenvolvendo, entre outras coisas, técnicas de inteligência artificial para fazer isso também. "

Decodificando mensagens do universo

Desenvolver uma teoria do universo em escalas cósmicas ou subatômicas requer uma combinação de observações, experimentos, teorias, simulações e análises, que por sua vez requer acesso aos telescópios mais sofisticados do mundo, aceleradores de partículas, detectores e supercomputadores.

Argonne é o único adequado para esta missão, equipado como está com muitas dessas ferramentas, a capacidade de fabricar outros e privilégios de colaboração com outros laboratórios federais e instituições de pesquisa líderes para acessar outras capacidades e conhecimentos.

Como líder do componente de cosmologia da iniciativa, Habib usa muitas dessas ferramentas em sua busca para entender as origens do universo e o que o faz funcionar.

E que melhor maneira de fazer isso do que observá-lo, ele disse.

"Se você olhar para o universo como um laboratório, então, obviamente, devemos estudá-lo e tentar descobrir o que ele está nos dizendo sobre a ciência fundamental, "observou Habib." uma parte do que estamos tentando fazer é construir sondas cada vez mais sensíveis para decifrar o que o universo está tentando nos dizer. "

A data, Argonne está envolvida em várias pesquisas importantes do céu, que usam uma variedade de plataformas de observação, como telescópios e satélites, para mapear diferentes cantos do universo e coletar informações que promovem ou rejeitam uma teoria específica.

Por exemplo, a pesquisa do Telescópio do Pólo Sul, uma colaboração entre Argonne e uma série de laboratórios e universidades nacionais, está medindo a radiação cósmica de fundo (CMB), considerada a luz mais antiga do universo. Variações nas propriedades CMB, como temperatura, sinalizam as flutuações originais de densidade que, em última análise, levaram a toda a estrutura visível do universo.

Adicionalmente, o Instrumento Espectroscópico de Energia Escura e o próximo Observatório Vera C. Rubin são especialmente equipados, telescópios terrestres projetados para lançar luz sobre a energia escura e a matéria escura, bem como a formação da estrutura luminosa do universo.

Assuntos mais escuros

Todos os conjuntos de dados derivados dessas observações estão conectados ao segundo componente do impulso cosmológico de Argonne, que gira em torno de teoria e modelagem. Cosmologistas combinam observações, medições e as leis prevalecentes da física para formar teorias que resolvem alguns dos mistérios do universo.

Mas o universo é complexo, e tem uma tendência irritante de lançar uma bola curva exatamente quando pensávamos que tínhamos uma teoria confirmada. As descobertas nos últimos 100 anos revelaram que o universo está se expandindo e acelerando sua expansão - realizações que vieram como surpresas separadas, mas iguais.

"Dizer que entendemos o universo seria incorreto. Dizer que meio que o entendemos está bem, "exclamou Habib." Temos uma teoria que descreve o que o universo está fazendo, mas cada vez que o universo nos surpreende, temos que adicionar um novo ingrediente a essa teoria. "

A modelagem ajuda os cientistas a ter uma ideia mais clara de se e como esses novos ingredientes se encaixam em uma teoria. Eles fazem previsões para observações que ainda não foram feitas, dizendo aos observadores quais novas medidas tomar.

O grupo de Habib está aplicando esse mesmo tipo de processo para obter uma compreensão cada vez mais provisória da natureza da energia escura e da matéria escura. Embora os cientistas possam nos dizer que ambos existem, que abrangem cerca de 68 e 26% do universo, respectivamente, além disso, não se sabe muito mais.

As observações da estrutura cosmológica - a distribuição das galáxias e até mesmo de suas formas - fornecem pistas sobre a natureza da matéria escura, que por sua vez alimenta modelos simples de matéria escura e previsões subsequentes. Se observações, modelos e previsões não estão de acordo, isso diz aos cientistas que pode haver algum ingrediente ausente em sua descrição da matéria escura.

Mas também existem experimentos que procuram evidências diretas de partículas de matéria escura, que requerem detectores altamente sensíveis. Argonne iniciou o desenvolvimento de tecnologia de detector supercondutor especializado para a detecção de partículas de matéria escura de baixa massa.

Esta tecnologia requer a capacidade de controlar as propriedades dos materiais em camadas e ajustar a temperatura onde as transições do material de resistência finita para resistência zero, quando se torna um supercondutor. E, ao contrário de outras aplicações onde os cientistas gostariam que essa temperatura fosse a mais alta possível - a temperatura ambiente, por exemplo, aqui, a transição precisa ser muito próxima do zero absoluto.

Habib se refere a esses detectores de matéria escura como armadilhas, como aqueles usados ​​para caça, que, em essência, é o que os cosmologistas estão fazendo. Porque é possível que a matéria escura não venha em apenas uma espécie, eles precisam de diferentes tipos de armadilhas.

"É quase como se você estivesse em uma selva em busca de um certo animal, mas você não sabe bem o que é - pode ser um pássaro, uma cobra, um tigre, então você constrói diferentes tipos de armadilhas, " ele disse.

Os pesquisadores de laboratório estão trabalhando em tecnologias para capturar essas espécies indescritíveis por meio de novas classes de pesquisas de matéria escura. Colaborando com outras instituições, eles agora estão projetando e construindo um primeiro conjunto de projetos-piloto com o objetivo de procurar candidatos à matéria escura com baixa massa.

Sintonizando o universo primordial

Amy Bender está trabalhando em um tipo diferente de detector - bem, muitos detectores - que estão no centro de uma pesquisa da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB).

"O CMB é a radiação que existe em todo o universo há 13 bilhões de anos, e estamos medindo isso diretamente, "disse Bender, um físico assistente em Argonne.

Os detectores desenvolvidos por Argonne - todos os 16, 000 deles - capturam fótons, ou partículas de luz, daquele céu primordial através do já mencionado Telescópio do Pólo Sul, para ajudar a responder a perguntas sobre o universo primordial, física fundamental e a formação de estruturas cósmicas.

Agora, o esforço experimental do CMB está entrando em uma nova fase, CMB-Estágio 4 (CMB-S4). Este projeto maior aborda tópicos ainda mais complexos, como a teoria inflacionária, o que sugere que o universo se expandiu mais rápido do que a velocidade da luz por uma fração de segundo, logo após o Big Bang.

Embora a ciência seja incrível, a tecnologia para nos levar até lá é igualmente fascinante.

Tecnicamente chamados de bolômetros de detecção de borda de transição (TES), os detectores do telescópio são feitos de materiais supercondutores fabricados no Centro de Materiais em nanoescala de Argonne, um DOE Office of Science User Facility.

Cada um dos 16, 000 detectores atuam como uma combinação de termômetro e câmera muito sensíveis. À medida que a radiação de entrada é absorvida na superfície de cada detector, as medições são feitas super-resfriando-os a uma fração de grau acima do zero absoluto. (Isso é mais de três vezes mais frio do que a temperatura mais baixa registrada na Antártica.)

Mudanças no calor são medidas e registradas como mudanças na resistência elétrica e ajudarão a informar um mapa da intensidade do CMB no céu.

O CMB-S4 se concentrará em tecnologias mais recentes que permitirão aos pesquisadores distinguir padrões muito específicos de luz, ou luz polarizada. Nesse caso, eles estão procurando o que Bender chama de Santo Graal da polarização, um padrão chamado modos B.

Capturar este sinal do universo primordial - muito mais fraco do que o sinal de intensidade - ajudará a confirmar ou refutar uma previsão genérica de inflação.

Também exigirá a adição de 500, 000 detectores distribuídos entre 21 telescópios em duas regiões distintas do mundo, o Pólo Sul e o deserto chileno. Lá, a altitude elevada e as condições extremamente secas impedem que o vapor de água na atmosfera absorva a luz de comprimento de onda milimétrica, como o do CMB.

Embora experimentos anteriores tenham tocado nesta polarização, o grande número de novos detectores melhorará a sensibilidade a essa polarização e aumentará nossa capacidade de capturá-la.

"Literalmente, construímos essas câmeras totalmente do zero, "disse Bender." Nossa inovação é como fazer essas pilhas de materiais supercondutores trabalharem juntas dentro deste detector, onde você tem que acoplar muitos fatores complexos e então realmente ler os resultados com o TES. E é aí que Argonne contribuiu, enormemente. "

Até o básico

Os recursos de Argonne em tecnologia de detector não param apenas no limite do tempo, nem as investigações da iniciativa apenas olham para o quadro geral.

A maior parte do universo visível, incluindo galáxias, estrelas, planetas e pessoas, são constituídos por prótons e nêutrons. Compreender os componentes mais fundamentais desses blocos de construção e como eles interagem para formar átomos e moléculas e quase tudo o mais é domínio de físicos como Zein-Eddine Meziani.

"Da perspectiva do futuro da minha área, esta iniciativa é extremamente importante, "disse Meziani, que lidera o grupo de física de média energia de Argonne. "Isso nos deu a capacidade de realmente explorar novos conceitos, desenvolver uma melhor compreensão da ciência e um caminho para entrar em colaborações maiores e assumir alguma liderança. "

Assumindo a liderança do componente de física nuclear da iniciativa, Meziani está conduzindo Argonne para um papel significativo no desenvolvimento do Colisor Eletron-Íon, uma nova instalação do Programa de Física Nuclear dos EUA prevista para construção no Laboratório Nacional de Brookhaven do DOE.

O principal interesse de Argonne no colisor é elucidar a função dos quarks, anti-quarks e glúons atuam em dar massa e um momento angular quântico, chamado spin, a prótons e nêutrons - núcleons - as partículas que compõem o núcleo de um átomo.

Enquanto pensávamos que os núcleos eram as partículas fundamentais finitas de um átomo, o surgimento de poderosos aceleradores de partículas, como o Stanford Linear Accelerator Center na Stanford University e o antigo Tevatron no DOE's Fermilab, provado o contrário.

Acontece que quarks e glúons eram independentes de núcleos nas densidades de energia extremas do universo primitivo; conforme o universo se expandia e esfriava, eles se transformaram em matéria comum.

"Houve um tempo em que quarks e glúons eram livres em uma grande sopa, Se você for, mas nunca os vimos livres, "explicou Meziani." Então, estamos tentando entender como o universo capturou toda essa energia que estava lá e a colocou em sistemas confinados, como essas gotículas que chamamos de prótons e nêutrons. "

Parte dessa energia está ligada aos glúons, que, apesar de não terem massa, conferir a maioria da massa a um próton. Então, Meziani espera que o colisor elétron-íon permita que a ciência explore - entre outras propriedades - as origens da massa no universo por meio de uma exploração detalhada dos glúons.

E assim como Amy Bender está procurando a polarização dos modos B no CMB, Meziani e outros pesquisadores esperam usar uma partícula muito específica chamada J / psi para fornecer uma imagem mais clara do que está acontecendo dentro do campo gluônico de um próton.

Mas produzir e detectar a partícula J / psi dentro do colisor - enquanto garante que o alvo do próton não se quebre - é uma empresa complicada, que requer novas tecnologias. Novamente, Argonne está se posicionando na vanguarda desse empreendimento.

“Estamos trabalhando nos projetos conceituais de tecnologias que serão extremamente importantes para a detecção desses tipos de partículas, bem como para testar conceitos para outras ciências que serão conduzidas no Colisor Eletron-Íon, "disse Meziani.

A Argonne também está produzindo detectores e tecnologias relacionadas em sua busca por um fenômeno chamado decaimento beta duplo sem neutrinos. Um neutrino é uma das partículas emitidas durante o processo de decaimento beta radioativo de nêutrons e serve como uma conexão pequena, mas poderosa, entre a física de partículas e a astrofísica.

"O decaimento beta duplo sem neutrinos só pode acontecer se o neutrino for sua própria anti-partícula, "disse Hafidi." Se a existência dessas raras cáries for confirmada, teria consequências importantes para entender por que há mais matéria do que antimatéria no universo. "

Cientistas da Argonne de diferentes áreas do laboratório estão trabalhando na colaboração do Experimento Neutrino com Câmara de Projeção de Tempo de Xenon (NEXT) para projetar e prototipar sistemas-chave para o próximo grande experimento da colaboração. Isso inclui o desenvolvimento de uma instalação de teste única e um programa de P&D para novos, sistemas detectores especializados.

"Estamos realmente trabalhando em novas ideias dramáticas, "disse Meziani." Estamos investindo em certas tecnologias para produzir alguma prova de princípio de que eles serão os perseguidos mais tarde, que as inovações tecnológicas que nos levarão à detecção de maior sensibilidade desse processo serão conduzidas pela Argonne. "

As ferramentas de detecção

Em última análise, ciência fundamental é a ciência derivada da curiosidade humana. E embora nem sempre possamos ver o motivo de persegui-lo, Mais frequentes do que não, a ciência fundamental produz resultados que beneficiam a todos nós. Às vezes, é uma resposta gratificante para uma pergunta antiga, outras vezes, é um avanço tecnológico destinado a uma ciência que se mostra útil em uma série de outras aplicações.

Por meio de seus vários esforços, Os cientistas de Argonne buscam os dois resultados. Mas será necessário mais do que curiosidade e capacidade mental para resolver as perguntas que eles estão fazendo. Isso exigirá nossas habilidades na fabricação de ferramentas, como os telescópios que perscrutam profundamente os céus e os detectores que captam indícios da luz mais antiga ou da mais elusiva das partículas.

Precisaremos empregar o poder de computação ultrarrápido dos novos supercomputadores. A próxima máquina de exascale Aurora da Argonne irá analisar montanhas de dados para ajudar na criação de modelos massivos que simulam a dinâmica do universo ou mundo subatômico, que, por sua vez, pode orientar novos experimentos - ou introduzir novas questões.

E vamos aplicar a inteligência artificial para reconhecer padrões em observações complexas - nas escalas subatômicas e cósmicas - muito mais rapidamente do que o olho humano pode, ou use-o para otimizar máquinas e experimentos para maior eficiência e resultados mais rápidos.

"Acho que nos foi dada flexibilidade para explorar novas tecnologias que nos permitirão responder às grandes questões, "disse Bender." O que estamos desenvolvendo é tão moderno, você nunca sabe onde ele aparecerá na vida cotidiana. "