A próxima geração das descobertas do Polo Sul

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Foto by Jason Gallicchio

Artigo traduzido de University of Chicago. Autor: Carla Reiter.

Ainda este ano, durante aquilo que chamamos de verão na Antártida, um grupo de cientistas de Chicago vai chegar na estação de pesquisa Amundsen-Scott no polo sul para instalar um novo e aprimorado instrumento projetado para sondar os primórdios da história do cosmos.

Ele reuniu esforços combinados de cientistas, engenheiros, construtores de instrumentos, e especialistas em computação da Universidade de Chicago, Argonne National Laboratory, Fermilab, bem como instituições de todo o mundo que participam da colaboração Telescópio do Polo Sul.

“É um projeto científico tecnicamente desafiador”, diz o diretor do Fermilab Nigel Lockyer, “e não se podia fazê-lo sem a experiência dos laboratórios nacionais e permitindo a infraestrutura técnica”.

Liderados por John Carlstrom, o Telescópio do Polo Sul é uma colaboração global de mais de uma dúzia de instituições. Ele investiga a radiação cósmica de fundo – a radiação que resta do Big Bang – para uma visão sobre como o universo evoluiu e os processos e as partículas que participaram dessa evolução.

“A física do universo primordial foi impressa em padrões na radiação cósmica de fundo que podemos medir”, diz Clarence Chang, que dirige a parte do Argonne desse projeto – o projeto e fabricação dos detectores. “Mas ela é muito fraca, por isso precisamos de uma câmera muito sensível”.

A nova câmera ultra-sensível é o coração do telescópio e o ponto central da colaboração entre o Argonne, o Fermilab e a Universidade de Chicago.

“A Universidade de Chicago é a liderança científica”, diz Bradford Benson, um cientista associado, e Wilson Fellow, do Fermilab, que dirige o projeto da câmera e sua integração com a criogenia, detectores e eletrônica. “O Fermilab fornece conhecimentos e recursos a nível de integração: como podemos construir essa coisa, integra-la e operá-la por muitos anos? E o Argonne tem recursos de micro-fabricação que não estão disponíveis em outros lugares”.

O projeto Telescópio Polo Sul é uma das várias colaborações entre cientistas da Universidade de Chicago, Argonne, e Fermilab. Outros experimentos incluem os que examinam a natureza dos neutrinos; bem como os que incluem a ciência e tecnologia de um futuro acelerador.

Câmera sensível às micro-ondas 

A câmera no Telescópio do Polo Sul é feita de uma série de detectores supercondutores que são sensíveis às frequências associadas com a CMB. Cada um necessita de depósito de materiais supercondutores ultrafinos com dimensões tão pequenas quanto cerca de 10 x 50 mícrons (50 mícrons é a largura aproximada de um fio de cabelo humano). Estes detectores delicados são construídos no Argonne, utilizando as instalações top de linha no Centro de Materiais em Nanoescala e materiais desenvolvidos no laboratório da Divisão de Ciências dos Materiais. O novo plano focal utiliza redes integradas de detectores em lâminas de silício de 150 mm, com dez destes módulos compondo o coração da câmera.

“Eles estão realmente detectando os fótons de 14 bilhões de anos atrás”, diz Chang. “Eles aquecem os detectores um pouquinho, e depois medimos o calor”.

Os módulos do detector principal acabado vai ao Fermilab, onde eles são embalados e conectados com a eletrônica para testes no Silicon Detector Facility do laboratório – uma tarefa mais complicada do que parece. Cada módulo requer que milhares de fios finos como cabelos sejam conectados individualmente ao cabo. O Fermilab tem soldadores especializados para realizar essa tarefa, diz Benson.

Em seguida, o conjunto passa para a Universidade de Chicago, onde ele é testado a 1/4 de grau acima do zero absoluto – a temperatura necessária para os detectores supercondutores serem capazes de sentir a pequena quantidade de calor a partir dos fótons de entrada. Os resultados do teste são então enviados para o Argonne para ajustes na fabricação dos próximos módulos. Em última análise, tudo acaba voltando para a Universidade de Chicago, para ser integrado em uma câmera de mais 900kg que será enviada ao Polo Sul.

A nova câmera terá 16 mil detectores – uma grande atualização da câmera atual do telescópio que possui 1600 detectores. Os cientistas vão usar o aumento da sensibilidade para procurar a assinatura de ondas gravitacionais primordiais que um universo inflacionário teria gerado no início de sua história. A detecção iria sondar a física nas enormes energias que existiam quando o universo tinha apenas uma fração de segundo de idade – complementando os estudos em escalas de energia do Grande Colisor de Hádrons.

A nova câmera também lhes permitirá obter medições de precisão que ajudarão a determinar a massa dos neutrinos, partículas chamadas de fantasmas que foram criadas em grandes quantidades pouco após o universo começar e que contribuiu significativamente para sua evolução.

Produção em massa de instrumentação 

Produzir 16 mil unidades de qualquer coisa não é algo que universidades normalmente façam.

“As pessoas muitas vezes tentam fazer um dispositivo, compreender a física do mesmo, e publicar um artigo sobre ele”, diz Benson. “Estamos tentando construir esses instrumentos que estão em uma escala muito maior, e eles precisam ser produzidos em massa. Não existe muito corpo técnico ou infraestrutura em uma universidade para manter algo assim por cinco ou 10 anos. o Argonne acumulou essa experiência. E nós podemos nos conectar nele”.

Chang, Benson, e Carlstrom têm colaborado no projeto SPOT por mais de uma década. Eles têm trabalhado para criar um processo tão simples quanto possível para que cientistas, pós-doutorandos e estudantes transitem entre os grupos sem barreiras burocráticas. Chang e Benson dão aconselhamento em tempo parcial na Universidade, o que ajuda.

“A colaboração nos permite fazer mais do que aquilo que poderíamos fazer de outra maneira”, diz Chang. “Nós cultivamos a capacidade de ter um único grupo de 20 ou 30 pessoas. Você nunca vai ter um grupo tão grande assim em uma universidade ou em qualquer um dos laboratórios. Há uma massa crítica, intelectualmente, que surge a partir daí. Eu acho que é a maior coisa que aconteceu aqui. E isso é algo que é difícil de encontrar em outros lugares, seja em outros laboratórios ou em outras universidades”.

Embora o novo telescópio ainda não esteja instalado no Polo Sul, os parceiros do projeto já estão olhando em frente para o próximo telescópio mais sensível.

“Um projeto do tamanho da quarta geração do Telescópio do Polo Sul requer grandes colaborações”, disse o diretor do Argonne Peter Littlewood. “A fim de construir, instalar e operar um instrumento com meio milhão de sensores, estamos investindo em uma combinação multi-instituição de forte gerenciamento de projetos e infraestrutura física top de linha para criar algo verdadeiramente extraordinário para a ciência”.

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