Argonnedriven teknologi är en del av ett brett initiativ för att svara på grundläggande frågor om materiens födelse i universum och de byggstenar som håller ihop det hela.

Föreställ dig den första av vår art som ligger under skenet från en kvällshimmel. En enorm känsla av vördnad, kanske lite rädsla, fyller dem när de undrar över dessa till synes oändliga ljuspunkter och vad de kan betyda. Som människor, vi utvecklade förmågan att ställa stora insiktsfulla frågor om världen omkring oss och världar bortom oss. Vi vågar, även, att ifrågasätta vårt eget ursprung.

"Människornas plats i universum är viktig att förstå, " sa fysikern och beräkningsforskaren Salman Habib. "När du inser att det finns miljarder galaxer vi kan upptäcka, var och en med många miljarder stjärnor, du förstår betydelsen av att vara människa i någon mening. Men samtidigt, du uppskattar att vara människa mycket mer."

Med en känsla av förundran än de flesta av oss, Habib och kollegor vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory forskar aktivt om dessa frågor genom ett initiativ som undersöker de grundläggande komponenterna i både partikelfysik och astrofysik.

Vidden av Argonnes forskning inom dessa områden är häpnadsväckande. Det tar oss tillbaka till själva kanten av tiden, till någon oändligt liten del av en sekund efter Big Bang när slumpmässiga fluktuationer i temperatur och densitet uppstod, så småningom bildar grogrunden för galaxer och planeter.

Den utforskar hjärtat av protoner och neutroner för att förstå de mest grundläggande konstruktionerna av det synliga universum, partiklar och energi en gång fria i det tidiga post-Big Bang-universumet, men senare för alltid instängd i en grundläggande atomstruktur när det universum började svalna.

Och den tar upp lite nyare, mer kontroversiella frågor om naturen hos mörk materia och mörk energi, som båda spelar en dominerande roll i universums makeup och dynamik men är lite förstådda.

"Och den här forskningen i världsklass vi gör skulle inte kunna hända utan tekniska framsteg, " sa Argonne Associate Laboratory Director Kawtar Hafidi, som hjälpte till att definiera och slå samman de olika aspekterna av initiativet.

"Vi utvecklar och tillverkar detektorer som söker efter signaturer från det tidiga universum eller förbättrar vår förståelse för det mest grundläggande av partiklar, ", tillade hon. "Och eftersom alla dessa detektorer skapar stora data som måste analyseras, vi utvecklar, bland annat, artificiell intelligens för att göra det också."

Avkoda meddelanden från universum

Att utveckla en teori om universum på kosmisk eller subatomär skala kräver en kombination av observationer, experiment, teorier, simuleringar och analyser, vilket i sin tur kräver tillgång till världens mest sofistikerade teleskop, partikelkolliderare, detektorer och superdatorer.

Argonne är unikt lämpad för detta uppdrag, utrustad som den är med många av dessa verktyg, förmågan att tillverka andra och samarbetsprivilegier med andra federala laboratorier och ledande forskningsinstitutioner för att få tillgång till annan kapacitet och expertis.

Som ledare för initiativets kosmologiska komponent, Habib använder många av dessa verktyg i sin strävan att förstå universums ursprung och vad som får det att ticka.

Och vilket bättre sätt att göra det än att observera det, han sa.

"Om du ser på universum som ett laboratorium, då borde vi naturligtvis studera det och försöka ta reda på vad det säger oss om grundläggande vetenskap, " noterade Habib. "Så, en del av det vi försöker göra är att bygga allt känsligare sonder för att dechiffrera vad universum försöker berätta för oss."

Hittills, Argonne är involverad i flera betydande himmelundersökningar, som använder en rad observationsplattformar, som teleskop och satelliter, att kartlägga olika hörn av universum och samla in information som främjar eller förkastar en specifik teori.

Till exempel, undersökningen av South Pole Telescope, ett samarbete mellan Argonne och ett antal nationella labb och universitet, mäter den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB), anses vara det äldsta ljuset i universum. Variationer i CMB-egenskaper, såsom temperatur, signalera de ursprungliga fluktuationerna i densitet som i slutändan ledde till all synlig struktur i universum.

Dessutom, Dark Energy Spectroscopic Instrument och det kommande Vera C. Rubin Observatory är speciellt utrustade, markbaserade teleskop utformade för att kasta ljus på mörk energi och mörk materia, samt bildandet av lysande struktur i universum.

Mörkare saker

Alla datamängder som härrör från dessa observationer är kopplade till den andra komponenten av Argonnes kosmologiska push, som kretsar kring teori och modellering. Kosmologer kombinerar observationer, mätningar och de rådande fysikens lagar för att bilda teorier som löser några av universums mysterier.

Men universum är komplext, och det har en irriterande tendens att kasta en kurvboll precis när vi trodde att vi hade en teori på ända. Upptäckter under de senaste 100 åren har avslöjat att universum både expanderar och accelererar sin expansion - insikter som kom som separata men lika överraskningar.

"Att säga att vi förstår universum skulle vara felaktigt. Att säga att vi förstår det är bra, " utbrast Habib. "Vi har en teori som beskriver vad universum gör, men varje gång universum överraskar oss, vi måste lägga till en ny ingrediens till den teorin."

Modellering hjälper forskare att få en tydligare bild av huruvida och hur dessa nya ingredienser passar en teori. De gör förutsägelser för observationer som ännu inte har gjorts, talar om för observatörer vilka nya mätningar som ska göras.

Habibs grupp tillämpar samma typ av process för att få ett ständigt trevande grepp om naturen hos mörk energi och mörk materia. Medan forskare kan berätta för oss att båda finns, att de utgör cirka 68 och 26 % av universum, respektive, utöver det är inte mycket mer känt.

Observationer av kosmologisk struktur – fördelningen av galaxer och till och med deras former – ger ledtrådar om den mörka materiens natur, vilket i sin tur matar enkla mörk materiamodeller och efterföljande förutsägelser. Om observationer, modeller och förutsägelser stämmer inte överens, som talar om för forskare att det kan finnas någon ingrediens som saknas i deras beskrivning av mörk materia.

Men det finns också experiment som letar efter direkta bevis på partiklar av mörk materia, som kräver mycket känsliga detektorer. Argonne har initierat utvecklingen av specialiserad supraledande detektorteknologi för detektering av mörka partiklar med låg massa.

Denna teknik kräver förmågan att kontrollera egenskaper hos skiktade material och justera temperaturen där materialet övergår från ändligt till noll motstånd, när det blir en supraledare. Och till skillnad från andra applikationer där forskare vill att denna temperatur ska vara så hög som möjligt - rumstemperatur, till exempel – här, övergången måste vara mycket nära den absoluta nollpunkten.

Habib hänvisar till dessa mörkmateriedetektorer som fällor, som de som används för jakt – som, i huvudsak, är vad kosmologer gör. För det är möjligt att mörk materia inte finns i bara en art, de behöver olika typer av fällor.

"Det är nästan som om du är i en djungel på jakt efter ett visst djur, men du vet inte riktigt vad det är - det kan vara en fågel, en orm, en tiger – så du bygger olika typer av fällor, " han sa.

Laboratorieforskare arbetar med teknik för att fånga dessa svårfångade arter genom nya klasser av sökningar efter mörk materia. Samarbeta med andra institutioner, de designar och bygger nu en första uppsättning pilotprojekt som syftar till att leta efter kandidater för mörk materia med låg massa.

Stämmer in på det tidiga universum

Amy Bender arbetar på en annan sorts detektor — ja, många detektorer – som är kärnan i en undersökning av den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB).

"CMB är strålning som har funnits runt universum i 13 miljarder år, och vi mäter det direkt, sa Bender, en biträdande fysiker vid Argonne.

De Argonne-utvecklade detektorerna – alla 16, 000 av dem — fånga fotoner, eller lätta partiklar, från den urhimlen genom det tidigare nämnda sydpolsteleskopet, för att hjälpa till att svara på frågor om det tidiga universum, grundläggande fysik och bildandet av kosmiska strukturer.

Nu, CMB:s experimentella ansträngning går in i en ny fas, CMB-steg 4 (CMB-S4). Detta större projekt tar upp ännu mer komplexa ämnen som inflationsteori, vilket antyder att universum expanderade snabbare än ljusets hastighet under en bråkdel av en sekund, strax efter Big Bang.

Även om vetenskapen är fantastisk, tekniken för att ta oss dit är lika fascinerande.

Tekniskt kallade TES-bolometrar (transition edge sensing), detektorerna på teleskopet är gjorda av supraledande material tillverkade vid Argonne's Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science User Facility.

Var och en av de 16, 000 detektorer fungerar som en kombination av mycket känslig termometer och kamera. Eftersom inkommande strålning absorberas på ytan av varje detektor, mätningar görs genom att underkyla dem till en bråkdel av en grad över absoluta nollpunkten. (Det är över tre gånger så kallt som Antarktis lägsta registrerade temperatur.)

Förändringar i värme mäts och registreras som förändringar i elektriskt motstånd och kommer att hjälpa till att informera en karta över CMB:s intensitet över himlen.

CMB-S4 kommer att fokusera på nyare teknologi som gör det möjligt för forskare att urskilja mycket specifika mönster i ljus, eller polariserat ljus. I detta fall, de letar efter vad Bender kallar polarisationens heliga gral, ett mönster som kallas B-lägen.

Att fånga denna signal från det tidiga universum – en mycket svagare än intensitetssignalen – kommer att hjälpa till att antingen bekräfta eller motbevisa en generisk förutsägelse av inflation.

Det kommer också att kräva tillägg av 500, 000 detektorer fördelade på 21 teleskop i två distinkta regioner i världen, sydpolen och den chilenska öknen. Där, den höga höjden och extremt torra förhållanden hindrar vattenånga i atmosfären från att absorbera millimetervåglängdsljus, som CMB.

Medan tidigare experiment har berört denna polarisering, det stora antalet nya detektorer kommer att förbättra känsligheten för den polariseringen och öka vår förmåga att fånga den.

"Bokstavligen, vi har byggt dessa kameror helt från grunden, " sa Bender. "Vår innovation handlar om hur man får dessa staplar av supraledande material att fungera tillsammans i den här detektorn, där du måste koppla ihop många komplexa faktorer och sedan faktiskt läsa upp resultaten med TES. Och det är där Argonne har bidragit, enormt."

Ner till grunderna

Argonnes kapacitet inom detektorteknik stannar inte bara vid tidens utkant, inte heller tittar initiativets utredningar bara på helheten.

Det mesta av det synliga universum, inklusive galaxer, stjärnor, planeter och människor, är uppbyggda av protoner och neutroner. Att förstå de mest grundläggande komponenterna i dessa byggstenar och hur de interagerar för att skapa atomer och molekyler och nästan allt annat är fysiker som Zein-Eddine Meziani.

"Ur perspektivet av framtiden för mitt område, detta initiativ är oerhört viktigt, sade Meziani, som leder Argonnes Medium Energy Physics-grupp. "Det har gett oss förmågan att faktiskt utforska nya koncept, utveckla bättre förståelse för vetenskapen och en väg att ingå större samarbeten och ta lite ledarskap."

Att ta ledningen av initiativets kärnfysikkomponent, Meziani styr Argonne mot en betydande roll i utvecklingen av Electron-Ion Collider, en ny U.S. Nuclear Physics Program-anläggning planerad att byggas vid DOE:s Brookhaven National Laboratory.

Argonnes främsta intresse för kollideren är att belysa rollen som kvarkar, antikvarkar och gluoner spelar för att ge massa och ett kvantmomentum, kallas spin, till protoner och neutroner – nukleoner – de partiklar som utgör kärnan i en atom.

Medan vi en gång trodde att nukleoner var de ändliga fundamentala partiklarna i en atom, uppkomsten av kraftfulla partikelkolliderare, som Stanford Linear Accelerator Center vid Stanford University och den tidigare Tevatron vid DOE:s Fermilab, bevisat motsatsen.

Det visar sig att kvarkar och gluoner var oberoende av nukleoner i det tidiga universums extrema energitätheter; när universum expanderade och kyldes, de förvandlades till vanlig materia.

"Det fanns en tid när kvarkar och gluoner var fria i en stor soppa, om du vill, men vi har aldrig sett dem fria, " förklarade Meziani. "Så, vi försöker förstå hur universum fångade all denna energi som fanns där och placerade den i begränsade system, som dessa droppar kallar vi protoner och neutroner."

En del av den energin är bunden i gluoner, som, trots att de inte har någon massa, tilldela huvuddelen av massan till en proton. Så, Meziani hoppas att Electron-Ion Collider kommer att tillåta vetenskapen att utforska - bland andra egenskaper - ursprunget till massan i universum genom en detaljerad utforskning av gluoner.

Och precis som Amy Bender letar efter B-lägespolariseringen i CMB, Meziani och andra forskare hoppas kunna använda en mycket specifik partikel som kallas J/psi för att ge en tydligare bild av vad som händer inuti en protons gluoniska fält.

Men att producera och detektera J/psi-partikeln i kollideren – samtidigt som man säkerställer att protonmålet inte går sönder – är ett knepigt företag, som kräver ny teknik. På nytt, Argonne placerar sig i spetsen för denna strävan.

"Vi arbetar med de konceptuella designerna av teknologier som kommer att vara extremt viktiga för detektering av dessa typer av partiklar, såväl som för att testa koncept för annan vetenskap som kommer att genomföras vid Electron-Ion Collider, sa Meziani.

Argonne producerar också detektorer och relaterade teknologier i sin strävan efter ett fenomen som kallas neutrinolöst dubbel beta-sönderfall. En neutrino är en av de partiklar som släpps ut under processen för neutronradioaktivt beta-sönderfall och fungerar som en liten men mäktig koppling mellan partikelfysik och astrofysik.

"Neutrinofritt dubbel beta-sönderfall kan bara hända om neutrinon är sin egen antipartikel, " sa Hafidi. "Om förekomsten av dessa mycket sällsynta sönderfall bekräftas, det skulle få viktiga konsekvenser för att förstå varför det finns mer materia än antimateria i universum."

Argonne-forskare från olika delar av labbet arbetar på samarbetet med Neutrino Experiment med Xenon Time Projection Chamber (NEXT) för att designa och prototyper av nyckelsystem för samarbetets nästa stora experiment. Detta inkluderar utveckling av en unik testanläggning och ett FoU-program för nya, specialiserade detektorsystem.

"Vi arbetar verkligen med dramatiska nya idéer, ", sa Meziani. "Vi investerar i vissa teknologier för att producera några principbevis som det kommer att vara de som kommer att fortsätta senare, att de tekniska genombrotten som kommer att ta oss till den högsta känslighetsdetekteringen av denna process kommer att drivas av Argonne."

Verktygen för upptäckt

I sista hand, Grundvetenskap är vetenskap som härrör från mänsklig nyfikenhet. Och även om vi kanske inte alltid ser anledningen till att fortsätta det, oftare än sällan, grundvetenskap ger resultat som gynnar oss alla. Ibland är det ett glädjande svar på en urgammal fråga, andra gånger är det ett tekniskt genombrott avsett för en vetenskap som visar sig användbar i en mängd andra tillämpningar.

Genom sina olika insatser, Argonne-forskare siktar på båda resultaten. Men det kommer att krävas mer än nyfikenhet och hjärnkraft för att lösa de frågor de ställer. Det kommer att kräva våra färdigheter i verktygstillverkning, som teleskopen som kikar djupt in i himlen och detektorerna som fångar antydningar om det tidigaste ljuset eller de mest svårfångade partiklarna.

Vi kommer att behöva använda den ultrasnabba beräkningskraften hos nya superdatorer. Argonnes kommande Aurora exascale-maskin kommer att analysera berg av data för hjälp med att skapa massiva modeller som simulerar dynamiken i universum eller subatomär värld, som, i tur och ordning, kan vägleda nya experiment – ​​eller introducera nya frågor.

Och vi kommer att tillämpa artificiell intelligens för att känna igen mönster i komplexa observationer – på subatomära och kosmiska skalor – mycket snabbare än det mänskliga ögat kan, eller använd den för att optimera maskiner och experiment för högre effektivitet och snabbare resultat.

"Jag tror att vi har fått flexibiliteten att utforska ny teknik som gör att vi kan svara på de stora frågorna, " sa Bender. "Det vi utvecklar är så banbrytande, man vet aldrig var det dyker upp i vardagen."