La tecnología impulsada por argón es parte de una amplia iniciativa para responder preguntas fundamentales sobre el nacimiento de la materia en el universo y los componentes básicos que lo mantienen unido.

Imagine al primero de nuestra especie que yace bajo el resplandor de un cielo vespertino. Una enorme sensación de asombro tal vez un poco de miedo, los llena mientras se maravillan ante esos aparentemente infinitos puntos de luz y lo que podrían significar. Como humanos, desarrollamos la capacidad de hacer grandes preguntas perspicaces sobre el mundo que nos rodea y los mundos más allá de nosotros. Nos atrevemos, incluso, cuestionar nuestros propios orígenes.

"Es importante comprender el lugar de los humanos en el universo, ", dijo el físico y científico computacional Salman Habib." Una vez que te das cuenta de que hay miles de millones de galaxias que podemos detectar, cada uno con muchos miles de millones de estrellas, comprendes la insignificancia de ser humano en cierto sentido. Pero al mismo tiempo, aprecias mucho más el ser humano ".

Sin menos asombro que la mayoría de nosotros, Habib y sus colegas del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) están investigando activamente estas preguntas a través de una iniciativa que investiga los componentes fundamentales de la física de partículas y la astrofísica.

La amplitud de la investigación de Argonne en estas áreas es asombrosa. Nos lleva de regreso al mismo borde del tiempo, a una porción infinitesimalmente pequeña de un segundo después del Big Bang cuando surgieron fluctuaciones aleatorias en la temperatura y la densidad, eventualmente formando el caldo de cultivo de galaxias y planetas.

Explora el corazón de los protones y neutrones para comprender las construcciones más fundamentales del universo visible, partículas y energía una vez libres en el universo temprano posterior al Big Bang, pero luego confinado para siempre dentro de una estructura atómica básica cuando ese universo comenzó a enfriarse.

Y se dirige a algo más nuevo, preguntas más controvertidas sobre la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura, ambos juegan un papel dominante en la composición y la dinámica del universo, pero se comprenden poco.

"Y esta investigación de clase mundial que estamos haciendo no podría suceder sin los avances tecnológicos, ", dijo el director asociado del laboratorio de Argonne, Kawtar Hafidi, quienes ayudaron a definir y fusionar los diferentes aspectos de la iniciativa.

"Estamos desarrollando y fabricando detectores que buscan firmas del universo temprano o mejoran nuestra comprensión de las partículas más fundamentales, ", agregó." Y debido a que todos estos detectores crean macrodatos que deben analizarse, estamos desarrollando, entre otras cosas, técnicas de inteligencia artificial para hacer eso también ".

Decodificando mensajes del universo

Desarrollar una teoría del universo a escalas cósmicas o subatómicas requiere una combinación de observaciones, experimentos teorías simulaciones y análisis, que a su vez requiere acceso a los telescopios más sofisticados del mundo, colisionadores de partículas, detectores y supercomputadoras.

Argonne se adapta de forma única a esta misión, equipado como está con muchas de esas herramientas, la capacidad de fabricar otros y privilegios de colaboración con otros laboratorios federales e instituciones de investigación líderes para acceder a otras capacidades y experiencia.

Como líder del componente cosmológico de la iniciativa, Habib utiliza muchas de estas herramientas en su búsqueda por comprender los orígenes del universo y qué lo hace funcionar.

Y qué mejor manera de hacerlo que observarlo, él dijo.

"Si miras el universo como un laboratorio, entonces, obviamente, deberíamos estudiarlo y tratar de averiguar qué nos dice sobre la ciencia fundamental, "señaló Habib". una parte de lo que estamos tratando de hacer es construir sondas cada vez más sensibles para descifrar lo que el universo está tratando de decirnos ".

Hasta la fecha, Argonne participa en varios estudios celestes importantes, que utilizan una variedad de plataformas de observación, como telescopios y satélites, para mapear diferentes rincones del universo y recopilar información que promueva o rechace una teoría específica.

Por ejemplo, la encuesta del Telescopio del Polo Sur, una colaboración entre Argonne y varios laboratorios y universidades nacionales, está midiendo el fondo cósmico de microondas (CMB), considerada la luz más antigua del universo. Variaciones en las propiedades de CMB, como la temperatura, señalar las fluctuaciones originales en la densidad que finalmente llevaron a toda la estructura visible en el universo.

Adicionalmente, el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura y el próximo Observatorio Vera C. Rubin están especialmente equipados, telescopios terrestres diseñados para arrojar luz sobre la energía oscura y la materia oscura, así como la formación de estructura luminosa en el universo.

Asuntos más oscuros

Todos los conjuntos de datos derivados de estas observaciones están conectados al segundo componente del impulso cosmológico de Argonne, que gira en torno a la teoría y el modelado. Los cosmólogos combinan observaciones, mediciones y las leyes de la física imperantes para formar teorías que resuelvan algunos de los misterios del universo.

Pero el universo es complejo y tiene una tendencia molesta a lanzar una bola curva justo cuando pensamos que teníamos una teoría ceñida. Los descubrimientos de los últimos 100 años han revelado que el universo se está expandiendo y acelerando su expansión, realizaciones que llegaron como sorpresas separadas pero iguales.

"Decir que entendemos el universo sería incorrecto. Decir que entendemos que está bien, "exclamó Habib." Tenemos una teoría que describe lo que está haciendo el universo, pero cada vez que el universo nos sorprende, tenemos que agregar un nuevo ingrediente a esa teoría ".

El modelado ayuda a los científicos a tener una idea más clara de si esos nuevos ingredientes encajarán en una teoría y de qué manera. Hacen predicciones para observaciones que aún no se han realizado, decirle a los observadores qué nuevas medidas tomar.

El grupo de Habib está aplicando este mismo tipo de proceso para obtener una comprensión siempre tentativa de la naturaleza de la energía oscura y la materia oscura. Si bien los científicos pueden decirnos que ambos existen, que comprenden alrededor del 68 y el 26% del universo, respectivamente, más allá de eso, no se sabe mucho más.

Las observaciones de la estructura cosmológica (la distribución de las galaxias e incluso de sus formas) proporcionan pistas sobre la naturaleza de la materia oscura, que a su vez alimenta modelos simples de materia oscura y predicciones posteriores. Si las observaciones, los modelos y las predicciones no están de acuerdo, eso les dice a los científicos que puede faltar algún ingrediente en su descripción de la materia oscura.

Pero también hay experimentos que buscan evidencia directa de partículas de materia oscura, que requieren detectores de alta sensibilidad. Argonne ha iniciado el desarrollo de tecnología especializada en detectores superconductores para la detección de partículas de materia oscura de baja masa.

Esta tecnología requiere la capacidad de controlar las propiedades de los materiales en capas y ajustar la temperatura donde el material pasa de una resistencia finita a cero. cuando se convierte en superconductor. Y a diferencia de otras aplicaciones en las que los científicos desearían que esta temperatura fuera lo más alta posible:temperatura ambiente, por ejemplo, aquí, la transición debe ser muy cercana al cero absoluto.

Habib se refiere a estos detectores de materia oscura como trampas, como los que se utilizan para la caza, que, en esencia, es lo que están haciendo los cosmólogos. Porque es posible que la materia oscura no sea de una sola especie, necesitan diferentes tipos de trampas.

"Es casi como si estuvieras en una jungla en busca de cierto animal, pero no sabes muy bien qué es, podría ser un pájaro, una serpiente, un tigre, por lo que construye diferentes tipos de trampas, " él dijo.

Los investigadores de laboratorio están trabajando en tecnologías para capturar estas especies elusivas a través de nuevas clases de búsquedas de materia oscura. Colaborando con otras instituciones, ahora están diseñando y construyendo un primer conjunto de proyectos piloto destinados a buscar candidatos a materia oscura con baja masa.

Sintonizando con el universo temprano

Amy Bender está trabajando en un tipo diferente de detector, bueno, muchos detectores, que están en el centro de un estudio del fondo cósmico de microondas (CMB).

"El CMB es una radiación que ha estado alrededor del universo durante 13 mil millones de años, y lo estamos midiendo directamente, "dijo Bender, físico asistente en Argonne.

Los detectores desarrollados por Argonne, los 16, 000 de ellos:capturan fotones, o partículas ligeras, desde ese cielo primordial a través del mencionado telescopio del Polo Sur, para ayudar a responder preguntas sobre el universo temprano, física fundamental y la formación de estructuras cósmicas.

Ahora, el esfuerzo experimental de CMB se está moviendo hacia una nueva fase, CMB-Etapa 4 (CMB-S4). Este proyecto más amplio aborda temas aún más complejos como la teoría inflacionaria, lo que sugiere que el universo se expandió más rápido que la velocidad de la luz durante una fracción de segundo, poco después del Big Bang.

Si bien la ciencia es asombrosa, la tecnología que nos lleva allí es igualmente fascinante.

Técnicamente llamados bolómetros de detección de borde de transición (TES), los detectores del telescopio están hechos de materiales superconductores fabricados en el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Cada uno de los 16, 000 detectores actúa como una combinación de termómetro y cámara muy sensibles. A medida que la radiación entrante se absorbe en la superficie de cada detector, las medidas se realizan sobreenfriandolas a una fracción de grado por encima del cero absoluto. (Eso es tres veces más frío que la temperatura más baja registrada en la Antártida).

Los cambios de calor se miden y registran como cambios en la resistencia eléctrica y ayudarán a informar un mapa de la intensidad del CMB en el cielo.

CMB-S4 se centrará en la tecnología más nueva que permitirá a los investigadores distinguir patrones muy específicos en la luz, o luz polarizada. En este caso, están buscando lo que Bender llama el Santo Grial de la polarización, un patrón llamado modos B.

Capturar esta señal del universo temprano, una mucho más débil que la señal de intensidad, ayudará a confirmar o refutar una predicción genérica de inflación.

También requerirá la adición de 500, 000 detectores distribuidos entre 21 telescopios en dos regiones distintas del mundo, el Polo Sur y el desierto chileno. Allí, la gran altitud y las condiciones extremadamente secas evitan que el vapor de agua en la atmósfera absorba luz de longitud de onda milimétrica, como el del CMB.

Si bien los experimentos anteriores han tocado esta polarización, la gran cantidad de detectores nuevos mejorará la sensibilidad a esa polarización y aumentará nuestra capacidad para capturarla.

"Literalmente, hemos construido estas cámaras completamente desde cero, ", dijo Bender." Nuestra innovación está en cómo hacer que estas pilas de materiales superconductores trabajen juntos dentro de este detector, donde tiene que acoplar muchos factores complejos y luego leer los resultados con el TES. Y ahí es donde ha contribuido Argonne, enormemente."

Hasta lo básico

Las capacidades de Argonne en tecnología de detectores no se detienen en el límite del tiempo, ni las investigaciones de la iniciativa solo miran el panorama general.

La mayor parte del universo visible, incluyendo galaxias, estrellas, planetas y personas, están formados por protones y neutrones. Comprender los componentes más fundamentales de esos bloques de construcción y cómo interactúan para formar átomos y moléculas y casi todo lo demás es competencia de físicos como Zein-Eddine Meziani.

"Desde la perspectiva del futuro de mi campo, esta iniciativa es sumamente importante, "dijo Meziani, que dirige el grupo de física de energía media de Argonne. "Nos ha dado la capacidad de explorar nuevos conceptos, desarrollar una mejor comprensión de la ciencia y un camino para entrar en colaboraciones más grandes y tomar algo de liderazgo ".

Tomando la iniciativa del componente de física nuclear de la iniciativa, Meziani está dirigiendo a Argonne hacia un papel importante en el desarrollo del colisionador de iones de electrones, una nueva instalación del Programa de Física Nuclear de EE. UU. programada para su construcción en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del DOE.

El interés principal de Argonne en el colisionador es dilucidar el papel que juegan los quarks, los anti-quarks y gluones juegan dando masa y un momento angular cuántico, llamado giro, a los protones y neutrones —nucleones— las partículas que componen el núcleo de un átomo.

Si bien alguna vez pensamos que los nucleones eran las partículas fundamentales finitas de un átomo, la aparición de potentes colisionadores de partículas, como el Stanford Linear Accelerator Center en la Universidad de Stanford y el antiguo Tevatron en el Fermilab del DOE, demostró lo contrario.

Resulta que los quarks y gluones eran independientes de los nucleones en las densidades de energía extremas del universo primitivo; a medida que el universo se expandía y enfriaba, se transformaron en materia ordinaria.

"Hubo un tiempo en que los quarks y gluones estaban libres en una gran sopa, Si tu quieres, pero nunca los hemos visto libres, "explicó Meziani." Entonces, estamos tratando de entender cómo el universo capturó toda esta energía que estaba allí y la puso en sistemas confinados, como estas gotitas llamamos protones y neutrones ".

Parte de esa energía está ligada a gluones, cuales, a pesar de que no tienen masa, confieren la mayor parte de la masa a un protón. Entonces, Meziani espera que el Colisionador de iones y electrones permita a la ciencia explorar, entre otras propiedades, los orígenes de la masa en el universo a través de una exploración detallada de los gluones.

Y así como Amy Bender busca la polarización de los modos B en el CMB, Meziani y otros investigadores esperan usar una partícula muy específica llamada J / psi para proporcionar una imagen más clara de lo que sucede dentro del campo gluónico de un protón.

Pero producir y detectar la partícula J / psi dentro del colisionador, mientras se asegura que el protón objetivo no se rompa, es una empresa complicada, que requiere nuevas tecnologías. De nuevo, Argonne se está posicionando a la vanguardia de este esfuerzo.

“Estamos trabajando en los diseños conceptuales de tecnologías que serán de suma importancia para la detección de este tipo de partículas, así como para probar conceptos para otras ciencias que se llevarán a cabo en el Colisionador de Iones y Electrones, "dijo Meziani.

Argonne también está produciendo detectores y tecnologías relacionadas en su búsqueda de un fenómeno llamado desintegración beta doble sin neutrinos. Un neutrino es una de las partículas emitidas durante el proceso de desintegración beta radiactiva de neutrones y sirve como una conexión pequeña pero poderosa entre la física de partículas y la astrofísica.

"La desintegración beta doble sin neutrinos solo puede ocurrir si el neutrino es su propia antipartícula, "dijo Hafidi." Si se confirma la existencia de estas muy raras desintegraciones, tendría importantes consecuencias para comprender por qué hay más materia que antimateria en el universo ".

Los científicos de Argonne de diferentes áreas del laboratorio están trabajando en la colaboración del Experimento Neutrino con Xenon Time Projection Chamber (NEXT) para diseñar y crear prototipos de sistemas clave para el próximo gran experimento de la colaboración. Esto incluye el desarrollo de una instalación de prueba única en su tipo y un programa de I + D para nuevos sistemas detectores especializados.

"Realmente estamos trabajando en nuevas ideas dramáticas, ", dijo Meziani." Estamos invirtiendo en ciertas tecnologías para producir alguna prueba de principio de que serán las que se perseguirán más adelante, que los avances tecnológicos que nos llevarán a la detección de mayor sensibilidad de este proceso serán impulsados ​​por Argonne ".

Las herramientas de detección

Por último, La ciencia fundamental es la ciencia derivada de la curiosidad humana. Y aunque es posible que no siempre veamos la razón para perseguirlo, más a menudo que no, la ciencia fundamental produce resultados que nos benefician a todos. A veces es una respuesta gratificante a una antigua pregunta, otras veces es un avance tecnológico destinado a una ciencia que resulta útil en una serie de otras aplicaciones.

A través de sus diversos esfuerzos, Los científicos de Argonne apuntan a ambos resultados. Pero se necesitará más que curiosidad y capacidad intelectual para resolver las preguntas que se están formulando. Se necesitarán nuestras habilidades en la fabricación de herramientas, como los telescopios que miran profundamente en los cielos y los detectores que capturan indicios de la luz más temprana o de las partículas más elusivas.

Tendremos que emplear la potencia informática ultrarrápida de las nuevas supercomputadoras. La próxima máquina de exaescala Aurora de Argonne analizará montañas de datos para ayudar a crear modelos masivos que simulen la dinámica del universo o del mundo subatómico. cuales, Sucesivamente, podría orientar nuevos experimentos o introducir nuevas preguntas.

Y aplicaremos inteligencia artificial para reconocer patrones en observaciones complejas, en las escalas subatómica y cósmica, mucho más rápido que el ojo humano. o utilícelo para optimizar maquinaria y experimentos para una mayor eficiencia y resultados más rápidos.

"Creo que se nos ha dado la flexibilidad de explorar nuevas tecnologías que nos permitirán responder a las grandes preguntas, ", dijo Bender." Lo que estamos desarrollando es tan innovador, nunca se sabe dónde aparecerá en la vida cotidiana ".