El telescopio del Polo Sur escanea el cielo como las luces del sur, o aurora austral, Forme patrones verdes en este videoclip de 2018. El proyecto CMB-S4 contará con nuevos telescopios alrededor de este sitio de experimentos actuales en el Polo Sur, y también en el desierto alto de Chile. Crédito:Robert Schwarz / Universidad de Minnesota
La empresa de colaboración más grande hasta ahora para explorar la luz reliquia emitida por el universo infantil ha dado un paso adelante con la selección del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. Para liderar la asociación de laboratorios nacionales, universidades y otras instituciones que se unen en el esfuerzo de llevar a cabo las funciones y responsabilidades del DOE. Este experimento de próxima generación, conocido como CMB-S4, o fondo cósmico de microondas, etapa 4, está previsto que se convierta en un proyecto conjunto del DOE y la National Science Foundation.
CMB-S4 unirá varias colaboraciones existentes para estudiar el cielo de microondas con un detalle sin precedentes con 500, 000 detectores ultrasensibles durante siete años. Estos detectores se colocarán en 21 telescopios en dos de los principales lugares de nuestro planeta para observar el espacio profundo:el Polo Sur y el alto desierto chileno. El proyecto está destinado a desbloquear muchos secretos en cosmología, física fundamental, astrofísica, y astronomía.
Combinando una combinación de telescopios grandes y pequeños en ambos sitios, CMB-S4 será el primer experimento en acceder a todo el alcance de la ciencia CMB basada en tierra. Medirá variaciones cada vez más leves en la temperatura y la polarización, o direccionalidad, de luz de microondas en la mayor parte del cielo, para sondear ondas en el espacio-tiempo asociadas con una rápida expansión al comienzo del universo, conocido como inflación.
CMB-S4 también ayudará a medir la masa del neutrino; mapear el crecimiento de la materia que se agrupa a lo largo del tiempo en el universo; arrojar nueva luz sobre la misteriosa materia oscura, que constituye la mayor parte de la materia del universo pero que aún no se ha observado directamente, y energía oscura, que está impulsando una expansión acelerada del universo; y ayudar en la detección y el estudio de fenómenos espaciales de gran alcance, como explosiones de rayos gamma y blazares emisores de chorros.
Esta imagen, de "Eternal Sky, ”Una serie de videos sobre el Observatorio Simons, muestra el sitio del desierto de Atacama donde se construirán algunos de los telescopios para el experimento CMB-S4. Crédito:Debra Kellner / Fundación Simons
El 1 de septiembre El director de la Oficina de Ciencias del DOE, Chris Fall, autorizó la selección de Berkeley Lab como el laboratorio líder para las funciones y responsabilidades del DOE en CMB-S4, con el Laboratorio Nacional Argonne, Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi, y SLAC National Accelerator Laboratory que actúa como laboratorios asociados. La colaboración CMB-S4 ahora cuenta con 236 miembros en 93 instituciones en 14 países y 21 estados de EE. UU.
El proyecto superó su primer hito DOE, conocida como Decisión crítica 0 o CD-0, el 26 de julio 2019. Ha sido respaldado por el informe de 2014 del Panel de Priorización del Proyecto de Física de Partículas (conocido como P5), lo que ayuda a establecer la dirección futura de la investigación relacionada con la física de partículas. El proyecto también fue recomendado en la Visión Estratégica de la Ciencia Antártica de la Academia Nacional de Ciencias en 2015, y por el Comité Asesor de Astronomía y Astrofísica en 2017.
CMB-S4 también ayudará a medir la masa del neutrino; mapear el crecimiento de la materia que se agrupa a lo largo del tiempo en el universo; arrojar nueva luz sobre la misteriosa materia oscura, que constituye la mayor parte de la materia del universo pero que aún no se ha observado directamente, y energía oscura, que está impulsando una expansión acelerada del universo; y ayudar en la detección y el estudio de fenómenos espaciales de gran alcance, como explosiones de rayos gamma y blazares emisores de chorros.
El 1 de septiembre El director de la Oficina de Ciencias del DOE, Chris Fall, autorizó la selección de Berkeley Lab como el laboratorio líder para las funciones y responsabilidades del DOE en CMB-S4, con el Laboratorio Nacional Argonne, Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi, y SLAC National Accelerator Laboratory que actúa como laboratorios asociados. La colaboración CMB-S4 ahora cuenta con 236 miembros en 93 instituciones en 14 países y 21 estados de EE. UU.
Una vista del telescopio del Polo Sur, uno de los instrumentos existentes en el sitio del Polo Sur donde se construirá CMB-S4. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne
El proyecto superó su primer hito DOE, conocida como Decisión crítica 0 o CD-0, el 26 de julio 2019. Ha sido respaldado por el informe de 2014 del Panel de Priorización del Proyecto de Física de Partículas (conocido como P5), lo que ayuda a establecer la dirección futura de la investigación relacionada con la física de partículas. El proyecto también fue recomendado en la Visión Estratégica de la Ciencia Antártica de la Academia Nacional de Ciencias en 2015, y por el Comité Asesor de Astronomía y Astrofísica en 2017.
La NSF ha sido clave para el desarrollo de CMB-S4, que se basa en el programa existente de NSF de experimentos CMB en tierra. Cuatro de estos experimentos:el Telescopio de Cosmología de Atacama y POLARBEAR / Simons Array en Chile, y el Telescopio del Polo Sur y BICEP / Keck en el Polo Sur — ayudaron a poner en marcha CMB-S4 en 2013, y el diseño de CMB-S4 se basa en gran medida en tecnologías desarrolladas e implementadas por estos equipos y otros. NSF también está ayudando a planificar su posible función futura con una subvención otorgada a la Universidad de Chicago.
La colaboración CMB-S4 se estableció en 2018, y sus co-portavoces actuales son Julian Borrill, director del Centro de Cosmología Computacional en Berkeley Lab e investigador del Laboratorio de Ciencias Espaciales de UC Berkeley, y John Carlstrom, un profesor de física, astronomía, y astrofísica en la Universidad de Chicago y científico en Argonne Lab.
CMB-S4 se basa en décadas de experiencia con satélite, y experimentos basados en globos.
Este mapa del universo, lanzado en 2018, muestra las fluctuaciones de temperatura en el cielo de microondas. Crédito:ESA, Colaboración de Planck
Lo único de CMB-S4 no es la tecnología en sí:la tecnología del detector ya se ha probado en experimentos anteriores. por ejemplo, pero la escala a la que se implementará la tecnología, incluida la gran cantidad de detectores, escala de los sistemas de lectura del detector, número de telescopios, y volumen de datos a procesar.
CMB-S4, que superará las capacidades de las generaciones anteriores de experimentos en más de 10 veces, tendrá el poder de visión combinado de tres grandes telescopios y 18 pequeños telescopios. El principal desafío tecnológico para CMB-S4 está en su escala. Si bien las generaciones anteriores de instrumentos han utilizado decenas de miles de detectores, todo el proyecto CMB-S4 requerirá medio millón.
Los desafíos de la gestión de datos serán sustanciales, también, ya que estos enormes conjuntos de detectores producirán 1, 000 veces más datos que la generación anterior de experimentos. Un enfoque de hardware importante para el proyecto será la construcción de nuevos telescopios y la fabricación en masa de los detectores. El diseño actual del detector, adaptado de experimentos actuales, contará con más de 500 obleas de silicio que contienen cada una 1, 000 detectores superconductores.
CMB-S4 planea aprovechar los recursos informáticos de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) y el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética de Berkeley Lab (NERSC), y para postularse al Open Science Grid y al eXtreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) de NSF.
Este prototipo de oblea, midiendo alrededor de 5 pulgadas de ancho, con más de 1, 000 detectores, se hizo para probar los procesos de fabricación de detectores y la calidad de los detectores para el experimento CMB-S4. Crédito:Aritoki Suzuki / Berkeley Lab
El proyecto espera desplegar su primer telescopio en 2027, estar en pleno funcionamiento en todos los telescopios en un par de años, y hasta 2035.
Los próximos pasos incluyen la preparación de una oficina de proyectos en Berkeley Lab, preparándose para el próximo hito del DOE, conocida como Decisión crítica 1, trabajando para convertirse en un proyecto de NSF, y trabajar en toda la comunidad para aportar la mejor experiencia y capacidades.
