Aliased noise characterization and mitigation in BICEP Array 150, 220 and 270 GHz time-division multiplexed detectors

Para comprender el trabajo descrito aquí, uno primero debe mirar al cielo no solo como un lienzo de estrellas, sino como un registro de los primeros momentos del universo. Los científicos creen que en la fracción de segundo después del Big Bang, el universo se expandió más rápido que la velocidad de la luz, un periodo conocido como inflación cósmica. Esta rápida expansión habría dejado una huella tenue y específica en la luz más antigua del universo, el Fondo Cósmico de Microondas. Esta luz transporta un patrón de polarización sutil, un giro de sus ondas que actúa como una firma de esos primeros instantes. Detectar este patrón es uno de los objetivos más desafiantes de la cosmología moderna, ya que la señal es increíblemente débil y se ve fácilmente ahogada por el ruido de nuestra propia galaxia. Para encontrarla, los investigadores construyen instrumentos capaces de medir las diferencias de temperatura en el cielo con extrema precisión, utilizando matrices de sensores superconductores que son enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto. Estos sensores deben ser tan sensibles que puedan distinguir el tenue susurro del universo temprano de la estática de los propios instrumentos.

El Conjunto BICEP, una serie de telescopios ubicados en el Polo Sur, está diseñado para cazar esta señal. En este último estudio, los investigadores se centraron en dos receptores específicos dentro del conjunto que observan el cielo en altas frecuencias. Cuando comenzaron sus observaciones, se encontraron con un problema desconcertante: los detectores eran más ruidosos de lo que sus cálculos predecían. Los instrumentos estaban produciendo un nivel de estática que variaba salvajemente de un sensor a otro y de un módulo a otro, amenazando con oscurecer la mismísima señal que fueron construidos para encontrar. El equipo se propuso investigar la fuente de este exceso de ruido, sospechando que el problema no residía en el frío del espacio o en el polvo de nuestra galaxia, sino dentro de la electrónica y la física de los propios sensores.

La investigación reveló que el ruido no era un fallo aleatorio, sino un tipo específico de interferencia causada por la forma en que se leían los datos. Estos detectores están conectados en una larga cadena y, para leer la señal de miles de ellos rápidamente, el sistema cambia rápidamente de un sensor al siguiente, un proceso llamado multiplexación por división de tiempo. Este cambio ocurre a una velocidad muy alta, pero los investigadores descubrieron que los sensores generaban un tipo diferente de ruido a frecuencias mucho más altas que la velocidad del cambio. Debido a que el sistema cambia tan rápido, este ruido de alta frecuencia se plegaba hacia las frecuencias más bajas donde los científicos buscaban los datos, de forma muy similar a como una rueda que gira rápidamente parece moverse hacia atrás en una película. Este fenómeno, conocido como aliasing, significaba que la estática de alta frecuencia se estaba haciendo pasar por ruido de baja frecuencia, inflando las mediciones y haciendo que los detectores parecieran menos sensibles de lo que realmente eran.

Para entender por qué existía este ruido de alta frecuencia, el equipo examinó de cerca la física de los sensores, que se denominan sensores de borde de transición. Estos dispositivos dependen de un delicado equilibrio entre la electricidad y el calor para funcionar. Cuando un sensor absorbe energía, su temperatura aumenta ligeramente, provocando un cambio en su resistencia eléctrica. El sistema utiliza este cambio para medir la luz entrante. Sin embargo, los sensores en estos receptores de alta frecuencia fueron fabricados utilizando un nuevo método de fabricación diseñado para hacerlos más robustos y menos sensibles a la interferencia magnética. Este nuevo método resultó en una transición más aguda entre su estado normal y su estado superconductor. Si bien esta agudeza era buena para algunas cosas, hizo que los sensores fueran excesivamente sensibles a su propia potencia eléctrica, creando un bucle de retroalimentación que los empujaba hacia un punto de inestabilidad. Esta inestabilidad causaba que generaran el exceso de ruido de alta frecuencia que posteriormente se plegaba hacia los datos.

Los investigadores confirmaron esta teoría midiendo la sensibilidad de los sensores directamente. Encontraron que los sensores eran, de hecho, mucho más sensibles a los cambios de temperatura de lo que las especificaciones de diseño habían anticipado. Esto confirmó que la agudeza de la transición estaba impulsando la inestabilidad. Una vez identificada la causa, el equipo probó dos formas prácticas de solucionar el problema sin tener que reconstruir todo el instrumento. La primera solución consistió en acelerar el proceso de conmutación. Al aumentar la tasa a la que el sistema se movía de un sensor al siguiente, empujaron el punto donde el ruido podía plegarse más allá del rango del ruido de alta frecuencia que los sensores estaban generando. La segunda solución consistió en calentar ligeramente los sensores. Al elevar la temperatura de operación del plano focal, redujeron la cantidad de potencia eléctrica necesaria para mantener a los sensores en su estado de funcionamiento. Esta reducción de potencia disminuyó la intensidad del bucle de retroalimentación, estabilizando los sensores y reduciendo el ruido que producían.

Los resultados de estos cambios fueron inmediatos y significativos. Al ajustar la velocidad de conmutación y la temperatura de operación, los investigadores pudieron reducir el ruido de los detectores en aproximadamente un diez por ciento. Esta mejora llevó el rendimiento de los instrumentos mucho más cerca de sus límites teóricos, asegurando que los datos que recolecten sean lo más limpios posible. El estudio también destacó que el ruido no era uniforme; diferentes sensores se comportaban de manera distinta dependiendo de sus peculiaridades de fabricación específicas, lo que explicaba la dispersión vista en las observaciones iniciales. El trabajo del equipo demuestra que equilibrar la sensibilidad de los sensores con su estabilidad es crucial para los instrumentos futuros. Si bien los detectores actuales pueden ajustarse para funcionar mejor, los hallazgos sugieren que los diseños futuros necesitarán diseñar los sensores para que tengan una transición ligeramente menos aguda desde el principio, evitando la inestabilidad que causó el ruido en primer lugar. Este ajuste cuidadoso de las propiedades físicas de los detectores asegura que la próxima generación de telescopios pueda escuchar más claramente los tenues ecos del nacimiento del universo.