Det största samarbetsföretaget hittills för att utforska relikljuset som sänds ut av spädbarnsuniversum har tagit ett steg framåt med det amerikanska energidepartementets val av Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) för att leda partnerskapet mellan nationella laboratorier, universitet, och andra institutioner som går med i ansträngningen att utföra DOE:s roller och ansvar. Detta nästa generations experiment, känd som CMB-S4, eller Cosmic Microwave Background Steg 4, planeras att bli ett gemensamt DOE och National Science Foundation-projekt.

CMB-S4 kommer att förena flera befintliga samarbeten för att kartlägga mikrovågshimlen i oöverträffad detalj med 500, 000 ultrakänsliga detektorer i sju år. Dessa detektorer kommer att placeras på 21 teleskop på två av vår planets främsta platser för att titta på rymden:Sydpolen och den höga chilenska öknen. Projektet är avsett att låsa upp många hemligheter inom kosmologi, grundläggande fysik, astrofysik, och astronomi.

Kombinera en blandning av stora och små teleskop på båda platserna, CMB-S4 kommer att vara det första experimentet som får tillgång till hela omfattningen av markbaserad CMB-vetenskap. Den kommer att mäta allt så små variationer i temperatur och polarisation, eller riktning, av mikrovågsljus över större delen av himlen, att undersöka efter krusningar i rum-tid associerade med en snabb expansion i början av universum, känd som inflation.

CMB-S4 kommer också att hjälpa till att mäta massan av neutrinon; kartlägga tillväxten av materia som grupperar sig över tiden i universum; kasta nytt ljus över mystisk mörk materia, som utgör det mesta av universums materia men som ännu inte har observerats direkt, och mörk energi, som driver en accelererande expansion av universum; och hjälp med att upptäcka och studera kraftfulla rymdfenomen som gammastrålning och jet-emitterande blazarer.

Den 1 september DOE Office of Science Director Chris Fall godkände valet av Berkeley Lab som huvudlaboratoriet för DOE:s roller och ansvar på CMB-S4, med Argonne National Laboratory, Fermi National Accelerator Laboratory, och SLAC National Accelerator Laboratory fungerar som partnerlabb. CMB-S4-samarbetet har nu 236 medlemmar vid 93 institutioner i 14 länder och 21 amerikanska stater.

Projektet passerade sin första DOE-milstolpe, känd som Critical Decision 0 eller CD-0, den 26 juli, 2019. Det har godkänts av 2014 års rapport från Partikelfysikprojektets prioriteringspanel (känd som P5), som hjälper till att sätta den framtida riktningen för partikelfysikrelaterad forskning. Projektet rekommenderades också i National Academy of Sciences Strategic Vision for Antarctic Science 2015, och av Astronomy and Astrophysics Advisory Committee 2017.

CMB-S4 kommer också att hjälpa till att mäta massan av neutrinon; kartlägga tillväxten av materia som grupperar sig över tiden i universum; kasta nytt ljus över mystisk mörk materia, som utgör det mesta av universums materia men som ännu inte har observerats direkt, och mörk energi, som driver en accelererande expansion av universum; och hjälp med att upptäcka och studera kraftfulla rymdfenomen som gammastrålning och jet-emitterande blazarer.

Den 1 september DOE Office of Science Director Chris Fall godkände valet av Berkeley Lab som huvudlaboratoriet för DOE:s roller och ansvar på CMB-S4, med Argonne National Laboratory, Fermi National Accelerator Laboratory, och SLAC National Accelerator Laboratory fungerar som partnerlabb. CMB-S4-samarbetet har nu 236 medlemmar vid 93 institutioner i 14 länder och 21 amerikanska stater.

Projektet passerade sin första DOE-milstolpe, känd som Critical Decision 0 eller CD-0, den 26 juli, 2019. Det har godkänts av 2014 års rapport från Partikelfysikprojektets prioriteringspanel (känd som P5), som hjälper till att sätta den framtida riktningen för partikelfysikrelaterad forskning. Projektet rekommenderades också i National Academy of Sciences Strategic Vision for Antarctic Science 2015, och av Astronomy and Astrophysics Advisory Committee 2017.

NSF har varit nyckeln till utvecklingen av CMB-S4, som bygger på NSF:s befintliga program för universitetsledda, markbaserade CMB-experiment. Fyra av dessa experiment — Atacama Cosmology Telescope och POLARBEAR/Simons Array i Chile, och South Pole Telescope och BICEP/Keck vid Sydpolen – hjälpte till att starta CMB-S4 2013, och designen av CMB-S4 är starkt beroende av teknologier som utvecklats och implementerats av dessa team och andra. NSF hjälper också till att planera sin eventuella framtida roll med ett bidrag som tilldelas University of Chicago.

CMB-S4-samarbetet etablerades 2018, och dess nuvarande medtalesmän är Julian Borrill, chef för Computational Cosmology Center vid Berkeley Lab och en forskare vid UC Berkeleys Space Sciences Laboratory, och John Carlström, professor i fysik, astronomi, och astrofysik vid University of Chicago och forskare vid Argonne Lab.

CMB-S4 bygger på årtionden av erfarenhet av markbaserade, satellit, och ballongbaserade experiment.

Det som är unikt med CMB-S4 är inte själva tekniken – detektortekniken har redan bevisats i tidigare experiment, till exempel – men i vilken skala tekniken kommer att användas, inklusive det stora antalet detektorer, skalan för detektoravläsningssystemen, antal teleskop, och mängden data som ska behandlas.

CMB-S4, som kommer att överträffa kapaciteten hos tidigare generationer av experiment med mer än 10 gånger, kommer att ha den kombinerade betraktningskraften av tre stora teleskop och 18 små teleskop. Den stora tekniska utmaningen för CMB-S4 ligger i dess skala. Medan tidigare generationer av instrument har använt tiotusentals detektorer, hela CMB-S4-projektet kommer att kräva en halv miljon.

Datahanteringsutmaningarna kommer att vara betydande, för, eftersom dessa enorma uppsättningar av detektorer kommer att producera 1, 000 gånger mer data än föregående generation av experiment. Ett stort hårdvarufokus för projektet kommer att vara konstruktionen av nya teleskop och masstillverkning av detektorerna. Den nuvarande detektordesignen, anpassade från nuvarande experiment, kommer att innehålla över 500 kiselwafers som var och en innehåller 1, 000 supraledande detektorer.

CMB-S4 planerar att dra nytta av datorresurser vid Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) och Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), och att ansöka till NSF:s Open Science Grid och eXtreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE).

Projektet hoppas kunna distribuera sitt första teleskop 2027, att vara fullt operativ vid alla teleskop inom ett par år, och löpa till 2035.

Nästa steg inkluderar att förbereda ett projektkontor på Berkeley Lab, förbereder sig för nästa DOE-milstolpe, känt som kritiskt beslut 1, arbetar för att bli ett NSF-projekt, och arbeta i hela samhället för att få in den bästa expertis och kapacitet.