I forstaden Chicago, omtrent 54 miles vest for Lake Michigan, sitter et hull i bakken som går omtrent 330 fot rett ned. For lenge siden fikk forskere boret akselen for et partikkelfysikkeksperiment som for lengst er forsvunnet fra denne verden. Nå om noen få år skal de gjenbruke skaftet til et nytt prosjekt med det mystiske navnet MAGIS-100.
Når MAGIS-100 er ferdig, planlegger fysikere å bruke den til å oppdage skjulte skatter: mørk materie, det mystiske usynlige noe som antas å utgjøre mye av universet; og gravitasjonsbølger, krusninger i rom-tid forårsaket av kosmiske sjokk som sorte hull-kollisjoner. De håper å finne spor etter disse unnvikende fenomenene ved å se på mengden underskrifter de etterlater seg på regndråpestore skyer av strontiumatomer.
Men å faktisk observere disse atomene er vanskeligere enn du kanskje forventer. For å utføre lignende eksperimenter har fysikere så langt stolt på kameraer som kan sammenlignes med de på en smarttelefon. Og selv om teknologien kan fungere bra for en solnedgang eller en smakfull matshot, begrenser den hva fysikere kan se på atomnivå.
[Related: It’s pretty hard to measure nothing, but these engineers are getting close]
Heldigvis kan noen fysikere ha en oppgradering. Et forskerteam fra forskjellige grupper i Stanford, California, har opprettet en unik kamerainnretning som er avhengig av en kuppel av speil. De ekstra refleksjonene hjelper dem å se hvilket lys som kommer inn i linsen, og fortelle hvilken vinkel en viss lysflekk kommer fra. Det, håper de, vil la dem se inn i en atomsky som aldri før.
Mobiltelefonkameraet eller DSLR bryr seg ikke om hvor lyset kommer fra: Det fanger intensiteten til fotonene og fargene som reflekteres av bølgelengdene, litt mer. For å ta bilder av familien din, en bysilhuett eller Grand Canyon, det er vel og bra. Men for å studere atomer, overlater det ganske mye å være ønsket. “Du kaster bort mye lys,” sier Murtaza Safdarien fysikkstudent ved Stanford University og en av skaperne.
Fysikere ønsker å bevare denne informasjonen fordi den lar dem male et mer komplekst 3D-bilde av objektet (eller objektene) de studerer. Og når det kommer til de kresne analysene fysikere liker å gjøre, jo mer informasjon de kan få i ett skudd, jo raskere og bedre.
En måte å få den informasjonen på er å sette opp flere kameraer, slik at de kan ta bilder fra flere vinkler og sy dem sammen for en mer detaljert visning. Det kan fungere bra med for eksempel fem kameraer. Men noen fysikkeksperimenter krever så nøyaktige målinger at selv tusen kameraer kanskje ikke gjør susen.
Så i en kjeller i Stanford bestemte forskere seg for å lage sitt eget system for å omgå dette problemet. “Tenkningen vår … var i utgangspunktet: Kan vi prøve å fullstendig fange så mye informasjon vi kan, og kan vi bevare retningsinformasjon?” sier Safdari.
Den resulterende prototypen deres – laget av hyllevare og 3D-printede komponenter – ser ut som en grunne kuppel, med en rekke små speillignende prikker på innsiden. Mønsteret ser ut til å danne en morsom optisk illusjon av konsentriske sirkler, men det er nøye beregnet for å maksimere lyset som treffer kameraet.
For MAGIS-100-prosjektet ville motivet for skuddet – skyen av strontiumatomer – sitte innenfor kuppelen. Et kort lysglimt fra en ekstern laserstråle ville da spre seg av speilpunkter og gjennom skyen i utallige vinkler. Linsen vil fange opp de resulterende refleksjonene, hvordan de har interagert med molekylene, og hvilke prikker de har sprettet av.
Så, fra den informasjonen, kan maskinlæringsalgoritmer sette sammen den tredimensjonale strukturen til skyen igjen. Foreløpig tar denne rekonstruksjonen mange sekunder; i en ideell verden ville det ta millisekunder, eller enda mindre. Men i likhet med algoritmene som brukes til å trene opp selvkjørende biler for å tilpasse seg omverdenen, tror forskerne ytelsen til datakodene deres vil forbedres.
Selv om skaperne ikke har fått til å teste kameraet på atomer ennå, prøvde de det ut ved å skanne noen prøvedeler i passende størrelse: 3D-printede bokstavformede stykker på størrelse med strontiumdråpene de har tenkt å bruke. Bildet de tok var så tydelig at de kunne finne feil der de små bokstavene D, O og E varierte fra deres tiltenkte design.
For atomeksperimenter som MAGIS-100 er dette utstyret forskjellig fra alt annet på markedet. “State of the art er bare kameraer, kommersielle kameraer og linser,” sier Ariel Schwartzman, en fysiker ved SLAC National Accelerator Laboratory i California og medskaper av Stanford-oppsettet. De saummet fotoutstyrskataloger etter noe som kunne se inn i en atomsky fra flere vinkler samtidig. “Ingenting var tilgjengelig,” sier Schwartzman.
Det kompliserende er at mange eksperimenter krever at atomer hviler i ekstremt kalde temperaturer, knapt over absolutt null. Dette betyr at de krever dårlige lysforhold – å skinne en hvilken som helst lyskilde for lenge kan varme dem opp for fort. Omgivelser lengre eksponeringstid på et kamera kan hjelpe, men det betyr også å ofre noen av detaljene og informasjonen som trengs i det endelige bildet. “Du lar atomskyen diffundere,” sier Sanha Cheong, en fysikkstudent ved Stanford University og medlem av kamerabyggingsteamet. Speilkuppelen, derimot, har som mål å bruke kun en kort laserblits med en eksponering på mikrosekunder.
[Related: Stanford researchers want to give digital cameras better depth perception]
Skapernes neste utfordring er å faktisk plassere kameraet i MAGIS-100, noe som vil kreve mye fiksing for å tilpasse kameraet til et mye større skaft og i et vakuum. Men fysikere er håpefulle: Et kamera som dette kan gå mye lenger enn å oppdage obskure effekter rundt atomer. Designerne planlegger å bruke den til alt fra sporing av partikler i plasma til måling av kvalitetskontroll av små deler i fabrikken.
“Å kunne fange så mye lys og informasjon i ett enkelt opptak med kortest mulig eksponering – det åpner nye dører,” sier Cheong.