La technologie basée sur Argonne fait partie d'une vaste initiative visant à répondre à des questions fondamentales sur la naissance de la matière dans l'univers et les éléments constitutifs qui la maintiennent ensemble.

Imaginez le premier de notre espèce à se trouver sous la lueur d'un ciel nocturne. Un énorme sentiment d'émerveillement, peut-être un peu de peur, les remplit alors qu'ils s'interrogent sur ces points de lumière apparemment infinis et ce qu'ils pourraient signifier. En tant qu'humains, nous avons développé la capacité de poser de grandes questions perspicaces sur le monde qui nous entoure et les mondes au-delà de nous. Nous osons, même, remettre en question nos propres origines.

"La place des humains dans l'univers est importante à comprendre, " a déclaré le physicien et informaticien Salman Habib. " Une fois que vous vous rendez compte qu'il y a des milliards de galaxies que nous pouvons détecter, chacun avec plusieurs milliards d'étoiles, vous comprenez l'insignifiance d'être humain dans un certain sens. Mais en même temps, vous appréciez beaucoup plus d'être humain."

Avec pas moins d'émerveillement que la plupart d'entre nous, Habib et ses collègues du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) étudient activement ces questions dans le cadre d'une initiative qui étudie les composants fondamentaux de la physique des particules et de l'astrophysique.

L'étendue des recherches d'Argonne dans ces domaines est époustouflante. Il nous ramène aux confins du temps lui-même, à une partie infiniment petite d'une seconde après le Big Bang lorsque des fluctuations aléatoires de température et de densité se sont produites, formant finalement les lieux de reproduction des galaxies et des planètes.

Il explore le cœur des protons et des neutrons pour comprendre les constructions les plus fondamentales de l'univers visible, particules et énergie autrefois libres dans l'univers post-Big Bang, mais plus tard confiné à jamais dans une structure atomique de base alors que cet univers commençait à se refroidir.

Et il aborde un peu plus récent, des questions plus controversées sur la nature de la matière noire et de l'énergie noire, qui jouent tous deux un rôle dominant dans la composition et la dynamique de l'univers mais sont peu compris.

"Et cette recherche de classe mondiale que nous menons ne pourrait pas avoir lieu sans les avancées technologiques, " a déclaré Kawtar Hafidi, directeur du laboratoire associé d'Argonne, qui ont aidé à définir et à fusionner les différents aspects de l'initiative.

"Nous développons et fabriquons des détecteurs qui recherchent des signatures de l'univers primitif ou améliorent notre compréhension des particules les plus fondamentales, " a-t-elle ajouté. " Et parce que tous ces détecteurs créent de grandes données qui doivent être analysées, nous développons, entre autres, des techniques d'intelligence artificielle pour le faire aussi. »

Décoder les messages de l'univers

Élaborer une théorie de l'univers à l'échelle cosmique ou subatomique nécessite une combinaison d'observations, expériences, théories, simulations et analyses, qui à son tour nécessite l'accès aux télescopes les plus sophistiqués du monde, collisionneurs de particules, détecteurs et supercalculateurs.

Argonne est particulièrement adaptée à cette mission, équipé comme il l'est de bon nombre de ces outils, la capacité d'en fabriquer d'autres et des privilèges de collaboration avec d'autres laboratoires fédéraux et des institutions de recherche de premier plan pour accéder à d'autres capacités et expertises.

En tant que responsable du volet cosmologie de l'initiative, Habib utilise bon nombre de ces outils dans sa quête pour comprendre les origines de l'univers et ce qui le fait fonctionner.

Et quelle meilleure façon de le faire que de l'observer, il a dit.

"Si vous regardez l'univers comme un laboratoire, alors évidemment nous devrions l'étudier et essayer de comprendre ce qu'il nous dit sur la science fondamentale, " a noté Habib. " Alors, une partie de ce que nous essayons de faire est de construire des sondes toujours plus sensibles pour déchiffrer ce que l'univers essaie de nous dire."

À ce jour, Argonne est impliquée dans plusieurs études importantes du ciel, qui utilisent un ensemble de plates-formes d'observation, comme les télescopes et les satellites, pour cartographier différents coins de l'univers et collecter des informations qui favorisent ou rejettent une théorie spécifique.

Par exemple, le relevé du télescope du pôle Sud, une collaboration entre Argonne et plusieurs laboratoires et universités nationaux, mesure le fond diffus cosmologique (CMB), considérée comme la plus ancienne lumière de l'univers. Variations des propriétés du CMB, comme la température, signaler les fluctuations originales de densité qui ont finalement conduit à toute la structure visible de l'univers.

En outre, l'instrument spectroscopique à énergie noire et le futur observatoire Vera C. Rubin sont spécialement équipés, des télescopes au sol conçus pour faire la lumière sur l'énergie noire et la matière noire, ainsi que la formation de structure lumineuse dans l'univers.

Des sujets plus sombres

Tous les jeux de données issus de ces observations sont connectés au deuxième volet de la poussée cosmologique d'Argonne, qui tourne autour de la théorie et de la modélisation. Les cosmologistes combinent les observations, mesures et les lois dominantes de la physique pour former des théories qui résolvent certains des mystères de l'univers.

Mais l'univers est complexe, et il a une fâcheuse tendance à lancer une balle courbe juste au moment où nous pensions avoir une théorie serrée. Des découvertes au cours des 100 dernières années ont révélé que l'univers est à la fois en expansion et en accélération de son expansion - des réalisations qui sont venues comme des surprises séparées mais égales.

"Dire que nous comprenons l'univers serait incorrect. Dire que nous le comprenons en quelque sorte est bien, " s'exclama Habib. " Nous avons une théorie qui décrit ce que fait l'univers, mais à chaque fois l'univers nous surprend, nous devons ajouter un nouvel ingrédient à cette théorie."

La modélisation aide les scientifiques à se faire une idée plus précise de la question de savoir si et comment ces nouveaux ingrédients s'adapteront à une théorie. Ils font des prédictions pour des observations qui n'ont pas encore été faites, dire aux observateurs quelles nouvelles mesures prendre.

Le groupe d'Habib applique ce même genre de processus pour acquérir une compréhension toujours aussi provisoire de la nature de l'énergie noire et de la matière noire. Alors que les scientifiques peuvent nous dire que les deux existent, qu'ils représentent environ 68 et 26% de l'univers, respectivement, au-delà de cela, on ne sait pas grand-chose d'autre.

Les observations de la structure cosmologique - la distribution des galaxies et même de leurs formes - fournissent des indices sur la nature de la matière noire, qui à son tour alimente des modèles simples de matière noire et des prédictions ultérieures. Si des observations, les modèles et les prédictions ne sont pas en accord, cela indique aux scientifiques qu'il peut y avoir un ingrédient manquant dans leur description de la matière noire.

Mais il y a aussi des expériences qui recherchent des preuves directes de particules de matière noire, qui nécessitent des détecteurs très sensibles. Argonne a lancé le développement d'une technologie de détecteur supraconducteur spécialisée pour la détection de particules de matière noire de faible masse.

Cette technologie nécessite la capacité de contrôler les propriétés des matériaux en couches et d'ajuster la température à laquelle le matériau passe d'une résistance finie à une résistance nulle, quand il devient supraconducteur. Et contrairement à d'autres applications où les scientifiques aimeraient que cette température soit aussi élevée que possible - température ambiante, par exemple, ici, la transition doit être très proche du zéro absolu.

Habib appelle ces détecteurs de matière noire des pièges, comme ceux utilisés pour la chasse - qui, en substance, c'est ce que font les cosmologistes. Parce qu'il est possible que la matière noire n'existe pas en une seule espèce, ils ont besoin de différents types de pièges.

"C'est presque comme si vous étiez dans une jungle à la recherche d'un certain animal, mais vous ne savez pas très bien ce que c'est—ce pourrait être un oiseau, un serpent, un tigre - vous construisez donc différents types de pièges, " il a dit.

Les chercheurs du laboratoire travaillent sur des technologies pour capturer ces espèces insaisissables grâce à de nouvelles classes de recherches de matière noire. Collaborer avec d'autres institutions, ils conçoivent et construisent actuellement une première série de projets pilotes visant à rechercher des candidats à la matière noire de faible masse.

À l'écoute de l'univers primitif

Amy Bender travaille sur un autre type de détecteur—eh bien, beaucoup de détecteurs, qui sont au cœur d'une étude du fond diffus cosmologique (CMB).

"Le CMB est un rayonnement qui fait le tour de l'univers depuis 13 milliards d'années, et nous mesurons directement cela, " dit Bender, un assistant physicien à Argonne.

Les détecteurs développés par Argonne - tous les 16, 000 d'entre eux - capturent des photons, ou particules légères, de ce ciel primordial à travers le télescope du pôle Sud susmentionné, pour aider à répondre aux questions sur l'univers primitif, la physique fondamentale et la formation des structures cosmiques.

Maintenant, l'effort expérimental du CMB entre dans une nouvelle phase, CMB-Étape 4 (CMB-S4). Ce projet plus vaste aborde des sujets encore plus complexes comme la théorie de l'inflation, ce qui suggère que l'univers s'est étendu plus rapidement que la vitesse de la lumière pendant une fraction de seconde, peu après le Big Bang.

Alors que la science est incroyable, la technologie pour nous y amener est tout aussi fascinante.

Techniquement appelés bolomètres à détection de bord de transition (TES), les détecteurs du télescope sont fabriqués à partir de matériaux supraconducteurs fabriqués au Centre des matériaux nanométriques d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science.

Chacun des 16, 000 détecteurs agit comme une combinaison d'un thermomètre et d'une caméra très sensibles. Comme le rayonnement entrant est absorbé sur la surface de chaque détecteur, les mesures sont effectuées en les refroidissant à une fraction de degré au-dessus du zéro absolu. (C'est plus de trois fois plus froid que la température la plus basse enregistrée en Antarctique.)

Les changements de chaleur sont mesurés et enregistrés en tant que changements de résistance électrique et aideront à dresser une carte de l'intensité du CMB dans le ciel.

CMB-S4 se concentrera sur une technologie plus récente qui permettra aux chercheurs de distinguer des motifs très spécifiques à la lumière, ou lumière polarisée. Dans ce cas, ils recherchent ce que Bender appelle le Saint Graal de la polarisation, un modèle appelé B-modes.

La capture de ce signal de l'univers primitif – un signal beaucoup plus faible que le signal d'intensité – aidera à confirmer ou à infirmer une prédiction générique de l'inflation.

Il faudra également ajouter 500, 000 détecteurs répartis sur 21 télescopes dans deux régions distinctes du monde, le pôle Sud et le désert chilien. Là, la haute altitude et les conditions extrêmement sèches empêchent la vapeur d'eau dans l'atmosphère d'absorber la lumière de longueur d'onde millimétrique, comme celui du CMB.

Alors que des expériences précédentes ont abordé cette polarisation, le grand nombre de nouveaux détecteurs améliorera la sensibilité à cette polarisation et augmentera notre capacité à la capturer.

"Littéralement, nous avons entièrement construit ces caméras à partir de zéro, " a déclaré Bender. " Notre innovation réside dans la façon de faire fonctionner ensemble ces empilements de matériaux supraconducteurs au sein de ce détecteur, où vous devez coupler de nombreux facteurs complexes, puis lire les résultats avec le TES. Et c'est là qu'Argonne a contribué, extrêmement."

Jusqu'à l'essentiel

Les capacités d'Argonne en matière de technologie de détection ne s'arrêtent pas à la limite du temps, les enquêtes de l'initiative ne regardent pas non plus la situation dans son ensemble.

La plupart de l'univers visible, y compris les galaxies, étoiles, planètes et hommes, sont constitués de protons et de neutrons. Comprendre les composants les plus fondamentaux de ces blocs de construction et comment ils interagissent pour former des atomes et des molécules et à peu près tout le reste est le domaine de physiciens comme Zein-Eddine Meziani.

« Du point de vue de l'avenir de mon domaine, cette initiative est extrêmement importante, " dit Meziani, qui dirige le groupe de physique des énergies moyennes d'Argonne. « Cela nous a donné la possibilité d'explorer de nouveaux concepts, développer une meilleure compréhension de la science et une voie pour entrer dans de plus grandes collaborations et prendre un certain leadership. »

Prendre la tête du volet physique nucléaire de l'initiative, Meziani dirige Argonne vers un rôle important dans le développement du collisionneur électron-ion, une nouvelle installation du programme de physique nucléaire des États-Unis dont la construction est prévue au laboratoire national de Brookhaven du DOE.

Le principal intérêt d'Argonne dans le collisionneur est d'élucider le rôle des quarks, les anti-quarks et les gluons jouent en donnant une masse et un moment cinétique quantique, appelé rotation, aux protons et neutrons, les nucléons, les particules qui composent le noyau d'un atome.

Alors que nous pensions autrefois que les nucléons étaient les particules fondamentales finies d'un atome, l'émergence de puissants collisionneurs de particules, comme le Stanford Linear Accelerator Center de l'Université de Stanford et l'ancien Tevatron du Fermilab du DOE, prouvé le contraire.

Il s'avère que les quarks et les gluons étaient indépendants des nucléons dans les densités d'énergie extrêmes de l'univers primitif; alors que l'univers s'étendait et se refroidissait, ils se sont transformés en matière ordinaire.

"Il fut un temps où les quarks et les gluons étaient libres dans une grande soupe, si vous voulez, mais nous ne les avons jamais vus libres, " expliqua Meziani. " Alors, nous essayons de comprendre comment l'univers a capturé toute cette énergie qui était là et l'a mise dans des systèmes confinés, comme ces gouttelettes que nous appelons protons et neutrons."

Une partie de cette énergie est liée aux gluons, lequel, malgré le fait qu'ils n'ont pas de masse, confèrent la majorité de la masse à un proton. Donc, Meziani espère que le collisionneur électron-ion permettra à la science d'explorer, entre autres propriétés, les origines de la masse dans l'univers grâce à une exploration détaillée des gluons.

Et tout comme Amy Bender recherche la polarisation des modes B dans le CMB, Meziani et d'autres chercheurs espèrent utiliser une particule très spécifique appelée J/psi pour fournir une image plus claire de ce qui se passe à l'intérieur du champ gluonique d'un proton.

Mais produire et détecter la particule J/psi dans le collisionneur - tout en veillant à ce que la cible de protons ne se brise pas - est une entreprise délicate, ce qui nécessite de nouvelles technologies. De nouveau, Argonne se positionne à l'avant-garde de cette entreprise.

« Nous travaillons sur les conceptions de technologies qui seront extrêmement importantes pour la détection de ces types de particules, ainsi que pour tester des concepts pour d'autres sciences qui seront menées au collisionneur électron-ion, " a déclaré Meziani.

Argonne produit également des détecteurs et des technologies connexes dans sa quête d'un phénomène appelé double désintégration bêta sans neutrinos. Un neutrino est l'une des particules émises au cours du processus de désintégration bêta radioactive des neutrons et sert de lien petit mais puissant entre la physique des particules et l'astrophysique.

"La double désintégration bêta sans neutrino ne peut se produire que si le neutrino est sa propre antiparticule, " dit Hafidi. " Si l'existence de ces très rares désintégrations est confirmée, cela aurait des conséquences importantes pour comprendre pourquoi il y a plus de matière que d'antimatière dans l'univers."

Des scientifiques d'Argonne de différents domaines du laboratoire travaillent sur la collaboration Neutrino Experiment with Xenon Time Projection Chamber (NEXT) pour concevoir et prototyper des systèmes clés pour la prochaine grande expérience de la collaboration. Cela comprend le développement d'une installation d'essai unique en son genre et un programme de R&D pour de nouveaux, systèmes de détection spécialisés.

"Nous travaillons vraiment sur de nouvelles idées dramatiques, " a déclaré Meziani. " Nous investissons dans certaines technologies pour produire une preuve de principe qu'ils seront ceux à poursuivre plus tard, que les percées technologiques qui nous mèneront à la détection de sensibilité la plus élevée de ce processus seront conduites par Argonne. »

Les outils de détection

Finalement, la science fondamentale est la science dérivée de la curiosité humaine. Et même si nous ne voyons pas toujours la raison de le poursuivre, le plus souvent, la science fondamentale produit des résultats qui profitent à tous. Parfois, c'est une réponse gratifiante à une question séculaire, d'autres fois, c'est une percée technologique destinée à une science qui s'avère utile dans une foule d'autres applications.

Par leurs divers efforts, Les scientifiques d'Argonne visent les deux résultats. Mais il faudra plus que de la curiosité et de la puissance intellectuelle pour résoudre les questions qu'ils se posent. Il faudra nos compétences en fabrication d'outils, comme les télescopes qui scrutent profondément dans les cieux et les détecteurs qui capturent les indices de la lumière la plus ancienne ou des particules les plus insaisissables.

Nous devrons utiliser la puissance de calcul ultrarapide des nouveaux supercalculateurs. La prochaine machine exascale Aurora d'Argonne analysera des montagnes de données pour aider à créer des modèles massifs qui simulent la dynamique de l'univers ou du monde subatomique, lequel, à son tour, pourrait guider de nouvelles expériences ou introduire de nouvelles questions.

Et nous appliquerons l'intelligence artificielle pour reconnaître des modèles dans des observations complexes - aux échelles subatomique et cosmique - bien plus rapidement que l'œil humain ne peut le faire, ou utilisez-le pour optimiser les machines et les expériences pour une plus grande efficacité et des résultats plus rapides.

"Je pense qu'on nous a donné la flexibilité d'explorer de nouvelles technologies qui nous permettront de répondre aux grandes questions, " a déclaré Bender. " Ce que nous développons est tellement avant-gardiste, on ne sait jamais où il apparaîtra dans la vie de tous les jours."