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

Per comprendere il lavoro qui descritto, bisogna prima guardare al cielo non solo come a una tela di stelle, ma come a un registro dei primissimi istanti dell'universo. Gli scienziati ritengono che nella frazione di secondo successiva al Big Bang, l'universo si sia espanso più velocemente della velocità della luce, un periodo noto come inflazione cosmica. Questa rapida espansione avrebbe lasciato un'impronta tenue e specifica sulla luce più antica dell'universo, la Radiazione Cosmica di Fondo a Microonde. Questa luce trasporta un sottile schema di polarizzazione, una torsione delle sue onde che funge da firma di quei primi istanti. Rilevare questo schema è uno degli obiettivi più impegnativi della cosmologia moderna, poiché il segnale è incredibilmente debole e viene facilmente sommerso dal rumore della nostra stessa galassia. Per trovarlo, i ricercatori costruiscono strumenti capaci di misurare le differenze di temperatura nel cielo con estrema precisione, utilizzando array di sensori superconduttori raffreddati a temperature vicine allo zero assoluto. Questi sensori devono essere così sensibili da poter distinguere il debole sussurro dell'universo primordiale dal fruscio degli strumenti stessi.

L'array BICEP, una serie di telescopi situati al Polo Sud, è progettato per dare la caccia a questo segnale. In questo ultimo studio, i ricercatori si sono concentrati su due ricevitori specifici all'interno dell'array che osservano il cielo ad alte frequenze. Quando hanno iniziato le loro osservazioni, hanno incontrato un problema insolito: i rilevatori erano più rumorosi di quanto prevedessero i loro calcoli. Gli strumenti producevano un livello di staticità che variava selvaggiamente da un sensore all'altro e da un modulo all'altro, minacciando di oscurare proprio il segnale che erano stati costruiti per trovare. Il team si è messo in marcia per indagare sulla fonte di questo eccesso di rumore, sospettando che il problema non risiedesse nel freddo dello spazio o nella polvere della nostra galassia, ma nell'elettronica e nella fisica dei sensori stessi.

L'indagine ha rivelato che il rumore non era un glitch casuale, ma un tipo specifico di interferenza causata dal modo in cui i dati venivano letti. Questi rilevatori sono collegati in una lunga catena e, per leggere il segnale di migliaia di essi rapidamente, il sistema passa velocemente da un sensore all'altro, un processo chiamato multiplexing a divisione di tempo. Questo passaggio avviene a una velocità molto elevata, ma i ricercatori hanno scoperto che i sensori generavano un tipo diverso di rumore a frequenze molto più alte rispetto alla velocità del passaggio. Poiché il sistema commuta così velocemente, questo rumore ad alta frequenza si ripiegava sulle frequenze più basse dove gli scienziati cercavano i dati, proprio come una ruota che gira velocemente appare di muoversi all'indietro in un film. Questo fenomeno, noto come aliasing, significava che lo statico ad alta frequenza si mascherava da rumore a bassa frequenza, gonfiando le misurazioni e facendo apparire i rilevatori meno sensibili di quanto fossero realmente.

Per capire perché esistesse questo rumore ad alta frequenza, il team ha esaminato attentamente la fisica dei sensori, chiamati sensori a transizione di bordo (transition-edge sensors). Questi dispositivi si affidano a un delicato equilibrio tra elettricità e calore per funzionare. Quando un sensore assorbe energia, la sua temperatura aumenta leggermente, causando una variazione della sua resistenza elettrica. Il sistema utilizza questa variazione per misurare la luce in arrivo. Tuttavia, i sensori in questi ricevitori ad alta frequenza sono stati costruiti utilizzando un nuovo metodo di produzione progettato per renderli più robusti e meno sensibili alle interferenze magnetiche. Questo nuovo metodo ha comportato una transizione più netta tra il loro stato normale e lo stato superconduttore. Sebbene questa nitidezza fosse positiva per alcune cose, ha reso i sensori eccessivamente sensibili alla propria potenza elettrica, creando un ciclo di feedback che li spingeva verso un punto di instabilità. Questa instabilità ha causato la generazione dell'eccesso di rumore ad alta frequenza che in seguito è stato ripiegato nei dati.

I ricercatori hanno confermato questa teoria misurando direttamente la sensibilità dei sensori. Hanno scoperto che i sensori erano effettivamente molto più sensibili ai cambiamenti di temperatura di quanto le specifiche di progettazione avessero anticipato. Ciò ha confermato che la nitidezza della transizione stava guidando l'instabilità. Una volta identificata la causa, il team ha testato due modi pratici per risolvere il problema senza dover ricostruire l'intero strumento. La prima soluzione consisteva nell'accelerare il processo di commutazione. Aumentando la velocità con cui il sistema passava da un sensore all'altro, hanno spinto il punto in cui il rumore poteva ripiegarsi oltre l'intervallo del rumore ad alta frequenza generato dai sensori. La seconda soluzione consisteva nel riscaldare leggermente i sensori. Alzando la temperatura operativa del piano focale, hanno ridotto la quantità di potenza elettrica necessaria per mantenere i sensori nel loro stato di funzionamento. Questa riduzione di potenza ha abbassato l'intensità del ciclo di feedback, stabilizzando i sensori e riducendo il rumore prodotto.

I risultati di queste modifiche sono stati immediati e significativi. Regolando la velocità di commutazione e la temperatura operativa, i ricercatori sono riusciti a ridurre il rumore nei rilevatori di circa il dieci per cento. Questo miglioramento ha portato le prestazioni degli strumenti molto più vicine ai loro limiti teorici, garantendo che i dati raccolti siano il più puliti possibile. Lo studio ha anche evidenziato che il rumore non era uniforme; diversi sensori si comportavano diversamente a seconda delle loro specifiche peculiarità di fabbricazione, il che spiegava la dispersione osservata nelle prime rilevazioni. Il lavoro del team dimostra che bilanciare la sensibilità dei sensori con la loro stabilità è cruciale per gli strumenti futuri. Sebbene gli attuali rilevatori possano essere tarati per funzionare meglio, i risultati suggeriscono che i progetti futuri dovranno progettare i sensori affinché abbiano una transizione leggermente meno netta fin dall'inizio, evitando l'instabilità che ha causato il rumore. Questa attenta calibrazione delle proprietà fisiche dei rilevatori assicura che la prossima generazione di telescopi possa ascoltare più chiaramente i deboli echi della nascita dell'universo.