In einem Vorort von Chicago, etwa 34 Meilen westlich des Michigansees, befindet sich ein Loch im Boden, das etwa 330 Fuß gerade nach unten geht. Vor langer Zeit hatten Wissenschaftler den Schacht für ein längst aus dieser Welt verschwundenes Teilchenphysik-Experiment gebohrt. Jetzt, in wenigen Jahren, werden sie den Schacht für ein neues Projekt mit dem mystischen Namen wiederverwenden MAGIS-100.
Wenn MAGIS-100 fertig ist, wollen Physiker damit verborgene Schätze entdecken: dunkle Materie, das mysteriöse Unsichtbare etwas das soll einen Großteil des Universums ausmachen; und Gravitationswellen, Wellen in der Raumzeit, die durch kosmische Schocks wie Kollisionen von Schwarzen Löchern verursacht werden. Sie hoffen, Spuren dieser schwer fassbaren Phänomene zu finden, indem sie sie beobachten Quantensignaturen sie hinterlassen regentropfengroße Wolken aus Strontiumatomen.
Aber diese Atome tatsächlich zu beobachten, ist kniffliger, als Sie vielleicht erwarten. Um ähnliche Experimente durchzuführen, setzen Physiker bisher auf Kameras, die mit denen eines Smartphones vergleichbar sind. Und während die Technologie für einen Sonnenuntergang oder einen lecker aussehenden Essensschuss gut funktionieren mag, schränkt sie das ein, was Physiker auf atomarer Ebene sehen können.
[Related: It’s pretty hard to measure nothing, but these engineers are getting close]
Glücklicherweise haben einige Physiker möglicherweise ein Upgrade. Ein Forschungsteam aus verschiedenen Gruppen in Stanford, Kalifornien, hat es erstellt ein einzigartiges Kameragerät das auf einer Spiegelkuppel beruht. Die zusätzlichen Reflexionen helfen ihnen zu sehen, welches Licht in die Linse eintritt, und zu sagen, aus welchem Winkel ein bestimmter Lichtfleck kommt. Damit, so hoffen sie, können sie wie nie zuvor in eine Atomwolke blicken.
Ihrer Handykamera oder DSLR ist es egal, woher das Licht kommt: Sie fängt die Intensität der Photonen und die von den Wellenlängen reflektierten Farben ein, kaum mehr. Um Fotos von Ihrer Familie, der Skyline einer Stadt oder dem Grand Canyon zu machen, ist das alles schön und gut. Aber für die Untersuchung von Atomen lässt es ziemlich zu wünschen übrig. „Du verschenkst viel Licht“, sagt er Murtaza Safdariein Physikstudent an der Stanford University und einer der Schöpfer.
Physiker möchten diese Informationen bewahren, weil sie damit ein komplexeres 3D-Bild des Objekts (oder der Objekte), das sie untersuchen, malen können. Und wenn es um die kniffligen Analysen geht, die Physiker gerne machen, gilt: Je mehr Informationen sie auf einen Schlag erhalten, desto schneller und besser.
Eine Möglichkeit, diese Informationen zu erhalten, besteht darin, mehrere Kameras einzurichten, die es ihnen ermöglichen, Bilder aus verschiedenen Winkeln aufzunehmen und sie für eine detailliertere Ansicht zusammenzufügen. Das kann beispielsweise mit fünf Kameras hervorragend funktionieren. Aber einige Physikexperimente erfordern so präzise Messungen, dass selbst tausend Kameras möglicherweise nicht ausreichen.
Also beschlossen Forscher in einem Keller in Stanford, ihr eigenes System zu bauen, um dieses Problem zu umgehen. „Unsere Überlegung … war im Grunde: Können wir versuchen, so viele Informationen wie möglich vollständig zu erfassen, und können wir Richtungsinformationen bewahren?“ sagt Safdari.
Ihr daraus resultierender Prototyp – hergestellt aus handelsüblichen und 3D-gedruckten Komponenten – sieht aus wie eine flache Kuppel, die innen mit einer Reihe kleiner spiegelartiger Punkte übersät ist. Das Muster scheint eine lustige optische Täuschung aus konzentrischen Kreisen zu bilden, aber es ist sorgfältig berechnet, um das auf die Kamera treffende Licht zu maximieren.
Für das MAGIS-100-Projekt würde das Objekt der Aufnahme – die Wolke aus Strontiumatomen – innerhalb der Kuppel sitzen. Ein kurzer Lichtblitz von einem externen Laserstrahl würde dann von den Spiegelpunkten weg und in unzähligen Winkeln durch die Wolke streuen. Die Linse würde die resultierenden Reflexionen aufnehmen, wie sie mit den Molekülen interagiert haben und von welchen Punkten sie abprallten.
Aus diesen Informationen können maschinelle Lernalgorithmen dann die dreidimensionale Struktur der Cloud wieder zusammensetzen. Derzeit dauert diese Rekonstruktion viele Sekunden; In einer idealen Welt würde es Millisekunden oder sogar noch weniger dauern. Aber wie die Algorithmen, mit denen selbstfahrende Autos trainiert werden, sich an die Umgebung anzupassen, glauben die Forscher, dass sich die Leistung ihrer Computercodes verbessern wird.
Während die Entwickler noch nicht dazu gekommen sind, die Kamera an Atomen zu testen, haben sie es ausprobiert, indem sie einige Musterteile in geeigneter Größe gescannt haben: 3D-gedruckte buchstabenförmige Stücke in der Größe der Strontiumtröpfchen, die sie verwenden wollten. Das Foto, das sie gemacht haben, war so klar, dass sie Fehler finden konnten, wo die kleinen Buchstaben D, O und E von ihrem beabsichtigten Design abwichen.
Für Atomexperimente wie MAGIS-100 unterscheidet sich diese Ausrüstung von allem anderen auf dem Markt. „Stand der Technik sind nur Kameras, kommerzielle Kameras und Objektive“, sagt er Ariel Schwartzmann, Physiker am SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien und Mitbegründer des Stanford-Setups. Sie durchsuchten Fotoausrüstungskataloge nach etwas, das aus mehreren Winkeln gleichzeitig in eine Atomwolke sehen konnte. „Nichts war verfügbar“, sagt Schwartzman.
Erschwerend kommt hinzu, dass viele Experimente erfordern, dass Atome bei extrem kalten Temperaturen ruhen, kaum über dem absoluten Nullpunkt. Das bedeutet, dass sie Bedingungen mit wenig Licht benötigen – zu langes Leuchten einer hellen Lichtquelle könnte sie zu schnell erhitzen. Einstellung eine längere Belichtungszeit auf einer Kamera könnte helfen, aber es bedeutet auch, einige der Details und Informationen zu opfern, die im endgültigen Bild benötigt werden. „Sie lassen die Atomwolke diffundieren“, sagt er Sanha Cheong, ein Physikstudent an der Stanford University und Mitglied der Kamerabau-Crew. Die Spiegelkuppel hingegen zielt darauf ab, nur einen kurzen Laserblitz mit einer Belichtung von Mikrosekunden zu verwenden.
[Related: Stanford researchers want to give digital cameras better depth perception]
Die nächste Herausforderung für die Entwickler besteht darin, die Kamera tatsächlich in MAGIS-100 zu platzieren, was eine Menge Bastelei erfordert, um die Kamera an einen viel größeren Schacht und in ein Vakuum anzupassen. Doch die Physiker sind hoffnungsvoll: Eine Kamera wie diese könnte viel weiter gehen, als obskure Effekte um Atome herum aufzuspüren. Seine Entwickler planen, es für alles einzusetzen, von der Verfolgung von Partikeln im Plasma bis hin zur Messung der Qualitätskontrolle von Kleinteilen in der Fabrik.
„In der Lage zu sein, so viel Licht und Informationen in einer einzigen Aufnahme mit der kürzestmöglichen Belichtungszeit einzufangen – das öffnet neue Türen“, sagt Cheong.