کار زمانی مبهم فیزیکدان NIST اکنون به محققان کمک می کند تا درباره خاستگاه جهان بیاموزند

وقتی فیزیکدان جان «بن» میتس تز دکترای خود را در سال 2011 به پایان رساند، تصور کرد که افراد کمی آن را می خوانند.

این میتس نیست که دکترای خود را انجام داده است. تحقیقات در NIST زمانی که دانشجوی کارشناسی ارشد در دانشگاه کلرادو بود، فکر می کرد کار او بی اهمیت است.

میتس فقط واقع بین بود. اکثر دانشمندان به خود زحمت نمی دهند تا پایان نامه های دکتری را که می توانند بیش از 100 صفحه داشته باشند، بررسی کنند. پایان نامه ها بر موضوعات بسیار تخصصی تمرکز دارند.

و برای چندین سال از دوران حرفه ای خود در NIST، حق با میتس بود.

او روش جدیدی را برای خواندن سیگنال‌ها از مجموعه‌ای از حسگرهای بسیار حساس ابداع کرده بود که تغییرات کوچک در شدت تابش حرارتی (گرما) را اندازه‌گیری می‌کند، از جمله درخشش پس از انفجار بزرگ، معروف به پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB).

خواندن داده‌ها از آشکارسازها که در NIST توسعه یافته و به عنوان بولومترهای سنسور لبه گذار (TES) شناخته می‌شوند، چالش برانگیز بود. به این دلیل که بولومترها فقط در دمای کسری از درجه بالاتر می توانند کار کنند صفر مطلق، که حدود منفی 273 درجه سانتیگراد یا منفی 459 درجه فارنهایت است. اگر تعداد زیادی سیم، آشکارسازهای فوق سرد را به تجهیزات دمای اتاق متصل کنند، حسگرها گرم می شوند و کار نمی کنند.

پایان نامه میتس روشی را برای به حداقل رساندن تعداد این سیم ها شرح می دهد که حسگرها را قادر می سازد دمای کاری سرد خود را حفظ کنند.

میتس پس از تکمیل پایان نامه خود، پروژه تحقیقاتی دیگری را در NIST دنبال کرد.

بلومترهای (بسیاری) مورد نیاز است

با این حال، در اواخر سال 2013، ناظر NIST او، جوئل اولوم، از او پرسید که آیا مایل است به مطالعه اصلی خود بازگردد یا خیر. اولوم به میتس گفت که پایان نامه او اهمیت بیشتری یافته است.

میتس قبلاً نشان داده بود که سیگنال‌های دو بولومتر TES را می‌توان با استفاده از یک سیم متصل به دستگاه دمای اتاق به جای استفاده از سیم جداگانه برای هر سنسور خواند.

اگرچه او روشی را برای به حداقل رساندن اتصالات دمای اتاق برای تعداد بسیار بیشتری از سنسورها طراحی کرده بود، اما در واقع نشان نداده بود که می تواند کار کند.

اکنون، آن تظاهرات به شدت مورد نیاز بود – و در مقیاس وسیع.

ستاره شناسان می خواستند نه تنها از دو، بلکه هزاران بولومتر TES روی مجموعه ای از تلسکوپ های زمینی برای بررسی CMB با حساسیت 10 برابر بیشتر از قبل استفاده کنند. اگرچه محققان CMB را برای دهه‌ها مطالعه کرده‌اند، بولومترها می‌توانند جزئیات تغییرات دمایی کوچک در تابش را ثبت کنند که ممکن است نظریه اصلی چگونگی تولد جهان را مورد آزمایش قرار دهد.

با این حال، با هزاران بلومتر، اتصال یک سیم دمای اتاق جداگانه به هر یک بدون گرم کردن سنسورها فراتر از دمای کاری آنها، عملا غیرممکن است.

در طی 10 سال بعد، میتس تکنیک خود را کامل کرد و نشان داد که چگونه سیگنال هر TES – تغییر در یک جریان کوچک – می تواند به یک فرکانس منحصر به فرد تبدیل شود. او نشان داد که هزاران فرکانس از این فرکانس ها را می توان روی یک کابل تنها با دمای اتاق حمل کرد و به طور چشمگیری جریان گرما را به آشکارسازها کاهش داد.

اخترشناسان با استفاده از روش او که به عنوان مالتی پلکسی مایکروویو شناخته می شود، اخیراً 67080 دستگاه را نصب کردند. بلومترها بر روی رصدخانه سیمونزمجموعه ای از چهار تلسکوپ در شیلی که به مطالعه CMB اختصاص یافته است.

حسگرهای طراحی شده توسط NIST مانند دماسنج های مینیاتوری عمل می کنند و می توانند تغییرات دمایی کوچک – به کوچکی ده میلیونم درجه – را در CMB در بیش از 40 درصد از آسمان تشخیص دهند.

نقاط کوچک گرم و سرد مربوط به تغییرات جزئی در چگالی کیهان در دوران طفولیت، 380000 سال پس از تولد خشونت آمیز آن است. مطالعه این تغییرات نشان می‌دهد که چگونه و کجا توده‌های کوچک ماده، دانه‌های کهکشان‌هایی که امروز در آسمان می‌بینیم، برای اولین بار در کیهان شکل گرفتند.

بولومترها همچنین الگوهای قطبش های مختلف را در CMB ثبت می کنند – تکان ها در میدان الکتریکی تابش. این تکان‌ها اطلاعات زیادی در مورد کیهان یک لحظه پس از انفجار بزرگ رمزگذاری می‌کنند و می‌توانند سرنخ‌هایی درباره آغاز اسرارآمیز آن داشته باشند.

تحقیقات چندگانه به جریان اصلی تبدیل می شود

اکنون پایان نامه میتس یک موضوع داغ است – خواندن آن برای بسیاری از دانشمندان علاقه مند به مالتی پلکسی ضروری است. او صدها درخواست برای چاپ مجدد دریافت کرده است و به سراسر جهان سفر کرده است و اخیراً ابزار دقیقی را در مجتمع تحقیقاتی شتاب دهنده پروتون ژاپن در توکای نصب کرده است.

میتس گفت: “این یک جور عجیبی است که چگونه همه چیز درست شد.” هرگز تصور نمی‌کردم این کار چنین تأثیری داشته باشد.»

پایان نامه او به قدری محبوب است که میتس گفت که در نظر دارد نسخه به روز شده دستنوشته خود را منتشر کند.

در آینده، میتس امیدوار است که به اصلاح تکنیک و کاهش هزینه ادامه دهد، بنابراین می‌تواند در دهه آینده یا بیشتر پروژه‌های بیشتری وجود داشته باشد.

در حالی که او از توجهی که در حال حاضر به کارش می شود قدردانی می کند، برای میتس، مشکلات اندازه گیری انگیزه ای برای ادامه تحقیق بود.

او گفت: «فکر می‌کنم بیشتر مشکلات توسعه و بهبود سیستم به خودی خود جالب هستند.