寻求揭示由好奇心和技术驱动的宇宙的基本秘密

天体物理学虫洞宇宙概念

Argonne驱动的技术是对宇宙中物质诞生的基本问题以及将其全部保持一致的建筑块的基本问题的一部分。

想象我们人类第一个躺在傍晚天空的辉光下。一种巨大的敬畏感,也许还有一点恐惧,充满了他们,他们对这些看似无限的光点和它们可能意味着什么感到惊奇。作为人类,我们进化出了一种能力,能够对我们周围的世界和我们之外的世界提出深刻的问题。我们甚至敢于质疑自己的起源。

南极望远镜


南极望远镜是阿贡与一些国家实验室和大学合作的一部分,以测量CMB,被认为是宇宙中最古老的光。南极的高海拔和极度干燥的条件使水蒸气无法吸收特定波长的光。图片来源:阿贡国家实验室

“宇宙中人类的地方很重要,无法理解,”物理学家和计算科学家萨尔曼哈尔曼说。“一旦你意识到有数十亿个星系,我们可以检测到有数十亿的星星,你就可以在某种意义上了解人类的微不足道。但与此同时,你欣赏人类更多。“

“说我们了解宇宙是不正确的。说我们有点理解它是好的。我们有一个理论来描述宇宙在做什么,但每次宇宙让我们惊讶时,我们就得给这个理论添加一个新成分。”
-Salman Habib,物理学家和计算科学家

与美国大多数人,Habib和美国的同事们没有不那么奇怪的感觉(DoE)Argonne国家实验室正在积极通过调查粒子物理和天体物理学的基本组成部分的倡议来研究这些问题。

氩气在这些领域的研究的广泛是令人难以置信的。它将我们恢复到时间的边缘本身,到了一秒钟之后的一小部分大爆炸当温度和密度的随机波动时,最终形成星系和行星的繁殖原因。

它探讨了质子和中子的心脏,以了解可见宇宙,粒子和能量的最基本的构造,在早期的大爆炸宇宙中自由,但后来在基本的原子结构中局限于宇宙开始冷却。

它还解决了关于暗物质和暗能量的性质的稍新、更有争议的问题,这两种物质在宇宙的构成和动力学中都发挥着主导作用,但人们对它们知之甚少。

“而这种世界级的研究我们正在做的就业不可能在没有技术进步的情况下发生,”Argonne副实验室主任Kawtar Hafidi表示,他们帮助定义并合并了该倡议的不同方面。

“我们正在开发和制造探测器,以搜索早期宇宙的特征,或增强我们对最基本粒子的理解,”她补充说。“因为所有这些探测器都会产生需要分析的大数据,所以我们正在开发人工智能技术来实现这一点。”

解码来自宇宙的消息

要在宇宙或亚原子尺度上充实宇宙理论,需要结合观测、实验、理论、模拟和分析,而这又需要使用世界上最精密的望远镜、粒子对撞机、探测器和超级计算机。

Argonne非常适合这项任务,配备了许多这些工具,能够与其他联邦实验室和领先的研究机构制造其他和协作特权,以获得其他能力和专业知识。

作为主动性的宇宙学成分的领导,Habib在他寻求中使用这些工具中的许多工具来了解宇宙的起源以及使其勾选的原因。

他说:“有什么方法比观察更好呢?”

“如果你看待宇宙作为实验室,那么显然我们应该研究它并试图弄清楚它告诉我们关于基础科学的内容,”哈哈鸟叫。“所以,我们想要做的一部分是建立更敏感的探头来破译宇宙试图告诉我们的东西。”

迄今为止,Argonne参与了几种重要的天空调查,它使用一系列观测平台,如望远镜和卫星,以映射宇宙的不同角落,并收集传统的信息或拒绝特定理论的信息。

例如,南极望远镜调查,Argonne和一些国家实验室和大学之间的合作正在测量宇宙微波背景(CMB),被认为是宇宙中最古老的光线。CMB属性的变化,如温度,表示最终导致宇宙中所有可见结构的密度的原始波动。

此外,暗能量分光仪和即将建成的Vera C. Rubin天文台是专门装备的地面望远镜,旨在揭示暗能量和暗物质,以及宇宙中发光结构的形成。

较暗的事情

源自这些观察结果的所有数据集都连接到Argonne宇宙学推出的第二个组件,其围绕理论和建模。宇宙学家结合了观察,测量和物理普遍规律,形成解决宇宙中一些奥秘的理论。

但宇宙很复杂,当我们认为我们有一个暗示的时候,它有一个令人讨厌的倾向。在过去的100年内发现透露,宇宙既扩大和加快其扩张 - 实现,即单独但平等的惊喜。

“说我们了解宇宙是不正确的。说我们有点理解它很好,“Habib惊呼。“我们有一个描述宇宙正在做的理论,但每次宇宙都让我们惊喜,我们必须为该理论添加一个新的成分。”

建模有助于科学家了解这些新成分是否适合理论的清晰。他们对尚未制造的观察结果进行了预测,告诉观察者需要采取哪些新的测量。

Habib的集团正在申请同样的过程,以获得对黑能和暗物质的性质的初步掌握。虽然科学家可以告诉我们两者都存在,但它们分别包括大约68%和26%的宇宙,而不是其他人已知。

宇宙结构的观察 - 星系和甚至其形状的分布 - 提供关于暗物质的性质的线索,这反过来源于简单的暗物质模型和随后的预测。如果观察,模型和预测不一致,那么科学家认为科学家可能会有一些缺失的成分在他们对暗物质的描述中。

但还有实验,正在寻找暗物质颗粒的直接证据,这需要高敏感的探测器。Argonne已经开始开发专业的超导探测器技术,用于检测低质量暗质质颗粒。

该技术需要能够控制分层材料的性质,并在变为超导体时调节材料从有限于零电阻的温度。与科学家希望这种温度尽可能高的其他应用程序不同,例如 - 例如 - 在这里,过渡需要非常接近绝对零度

Habib是指这些暗物质探测器作为陷阱,就像那些用于狩猎的陷阱 - 本质上是宇宙主义者正在做什么。因为暗物质不仅仅是一个物种,所以他们需要不同类型的陷阱。

“It’s almost like you’re in a jungle in search of a certain animal, but you don’t quite know what it is — it could be a bird, a snake, a tiger — so you build different kinds of traps,” he said.

实验室研究人员正在努力通过新的暗物质搜索捕获这些难以捉摸的物种。与其他机构合作,他们现在正在设计和建立一套旨在寻找低质量暗物质候选人的飞行员项目。

调整早期宇宙

Amy Bender正在使用不同类型的探测器 - 嗯,很多探测器 - 都是在宇宙微波背景(CMB)的调查的核心。

“宇宙微波背景辐射已经在宇宙中存在了130亿年,我们正在直接测量它,”本德说,他是阿贡的助理物理学家。

阿尔贡开发的探测器——共有16000个——通过上述南极望远镜从原始天空捕捉光子或光粒子,以帮助回答有关早期宇宙、基础物理学和宇宙结构形成的问题。

现在,CMB实验努力正在进入新的阶段,CMB-阶段4(CMB-S4)。这项较大的项目可以解决更复杂的主题,如通货膨胀理论,这表明宇宙在大爆炸后不久,宇宙的速度比光速更快地扩张。

虽然科学是惊人的,但将我们带到那里的技术也同样令人着迷。

宇宙微波背景辐射探测器阵列

探测器阵列的一个部分,其结构适合未来的CMB实验,如即将进行的CMB- s4项目。在阿贡的纳米材料中心制造的16000个探测器目前驱动着从南极望远镜收集的测量数据。图片来源:阿贡国家实验室

技术上被称为过渡沿传感(TES)钻孔仪,望远镜上的探测器由氩气中心制造的超导材料制成,用于科学用户设施的DOE办公室。

16,000个探测器中的每一个充当非常敏感的温度计和相机的组合。由于进入辐射被吸收在每个检测器的表面上,通过将它们过冷却至高于绝对零的程度的一小部分来进行测量。(由于南极的最低记录温度,这是冷的三倍。)

测量热量的变化并记录为电阻的变化,并有助于向天空中的CMB强度通知地图。

CMB-S4将专注于更新的技术,使研究人员能够区分光线或偏振光的非常具体的模式。在这种情况下,他们正在寻找弯曲者呼叫偏离极化的圣杯,一种称为B模式的模式。

捕捉来自早期宇宙的信号——一个远比强度信号微弱的信号——将有助于证实或推翻暴胀的一般预测。

它还需要添加50,000个探测器,在世界两个不同地区的21个望远镜中分布,南极和智利沙漠。在那里,高海拔和极其干燥的条件使水蒸汽保持在大气中吸收毫米波长光,就像CMB一样。

虽然以前的实验已经涉及到这种极化,但大量的新探测器将提高对这种极化的灵敏度,并提高我们捕获它的能力。

本德说:“实际上,我们完全是从零开始建造这些摄像机的。“我们的创新在于如何让这些超导材料在探测器中一起工作,你必须耦合许多复杂的因素,然后用TES读出结果。而这正是阿尔贡做出巨大贡献的地方。”

最基本的

阿贡探测器技术的能力不仅停留在时间的边缘,而且该计划的调查也不只是着眼于大局。

大多数可见宇宙,包括星系,星星,行星和人,由质子和中子组成。了解这些构建块的最基本的组成部分以及它们如何互动,以制作原子和分子,并只是关于其他一切是Zein-Eddine Meziani等物理学家的领域。

“从我的研究领域的未来来看,这项计划是非常重要的,”梅齐亚尼说,他领导了阿贡的中能物理小组。“它让我们有能力真正探索新概念,更好地理解科学,并为开展更大规模的合作和发挥一些领导作用提供了途径。”

梅奥尼以倡议的核物理成分领先地位,梅奥尼正在转向Argonne,在电子离子撞机的开发中,这是在Doe的Brookhaven国家实验室建设的新的美国核物理计划工厂的发展中的重要作用。

阿贡对对撞机的主要兴趣是阐明夸克、反夸克和胶子在给予质子和中子(核子)质量和量子角动量(称为自旋)中所起的作用原子


电子与离子碰撞将与核粒子交换虚拟光子,以帮助科学家“看到”核粒子内部;碰撞将产生普通核物质中夸克和胶子内部排列的精确3D快照;比如对原子的CT/MRI联合扫描仪。图片来源:布鲁克海文国家实验室。

虽然我们曾经认为核子是原子的有限基本粒子,但强大的粒子对撞机的出现,如斯坦福大学的斯坦福直线加速器中心和美国能源部费米实验室的前Tevatron,证明了事实并非如此。

事实证明,夸克和胶合在早期宇宙的极端能量密度中独立于核心;随着宇宙扩大和冷却,它们转化为普通问题。

“有一段时间夸克和胶水在一个大汤中是免费的,如果你愿意,但我们从未见过他们,”梅子才解释道。“所以,我们正试图了解宇宙如何捕获那里的所有能量,并将其放入狭窄的系统中,就像我们呼叫质子和中子一样的这些液滴。”

一些能量被束缚在胶中,尽管它们没有质量,但赋予了大多数质量。因此,Meziani希望电子 - 离子撞机将允许科学探索 - 以及其他特性 - 通过详细探索普鲁斯的宇宙中的群众来源。

就像Amy Bender正在寻找CMB中的B模式,Meziani和其他研究人员希望使用一个称为J / PSI的非常特定的粒子,以提供更清晰的图片在质子的普鲁隆领域进入的内容。

但在撞机内产生和检测J / PSI粒子 - 同时确保质子目标不会分开 - 是一个棘手的企业,需要新技术。同样,argonne正在以此努力的最前沿定位。

Meziani说:“我们正在进行技术的概念设计,这对探测这些类型的粒子以及测试将在电子-离子对撞机进行的其他科学概念将是非常重要的。”

阿贡也在生产探测器和相关技术,以探索一种叫做无中微子双β衰变的现象。中微子是中子放射性衰变过程中释放的粒子之一,是粒子物理学和天体物理学之间一个微小但强大的联系。

“只有当中微子是它自己的反粒子时,才会发生无中微子双β衰变,”Hafidi说。“如果这些非常罕见的衰变的存在得到证实,这将对理解为什么宇宙中物质比反物质多产生重要的影响。”

来自实验室不同地区的氩科学家正在使用氙时间投影室(下一个)合作,为协作的下一个大实验的设计和原型关键系统进行合作。这包括开发一个用于新的专用探测器系统的一类测试设施和研发程序。

“我们真的在致力于戏剧性的新想法,”Meziani说。“我们正在投资某些技术来生产一些原则证明,以至于他们将成为追求的原则,即将使我们带到这一过程的最高敏感性检测的技术突破将由Argonne推动。”

检测工具

最终,基本科学是来自人类好奇心的科学。虽然我们可能并不总是看到追求它的原因,而不是没有,基本科学会产生有利于我们所有人的结果。有时,对一个古老的问题的令人愉快的答案,其他时候它是一种用于一种科学的技术突破,这些突破在一系列其他应用中证明有用。

通过他们的各种努力,氩科学家旨在占据两种成果。但是,要解决他们问的问题,需要更多好奇心和大脑权力。它将采用我们的技能在工具制造时,就像望远镜那样进入天空和捕获最早光的暗示或最难以捉摸的颗粒的探测器。

我们需要利用新型超级计算机的超快计算能力。阿贡即将推出的极光百亿亿次计算机将分析大量数据,以帮助创建大规模模型,模拟宇宙或亚原子世界的动态,进而可能指导新的实验——或引入新的问题。

我们将申请人工智能识别复杂观察中的模式 - 对亚底和宇宙鳞片 - 比人眼更快,或者使用它来优化机器和实验,以提高效率和更快的结果。

“我认为我们已经获得了灵活性,探索新技术,使我们能够回答大问题,”Bender说。“我们正在开发的是如此尖端,你永远不会知道它在日常生活中会出现在哪里。”

本文提到的研究资金由Argonne实验室定向的研发提供;argonne计划开发;DOE Office高能源物理:宇宙边疆,南极望远镜-3G项目,探测器研发;和核物理的Doe办事处。

第一个发表评论“在好奇心和科技的驱动下探索宇宙的基本秘密”

发表评论

邮箱地址可选。如果提供,您的电子邮件将不会被公布或共享。