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El Departamento de Energía de EE. UU. (DoE) anunció recientemente los nombres de 76 científicos que han sido seleccionados para su Programa de Investigación de Carrera Temprana 2020. La lista incluye cuatro miembros de la facultad del MIT: Ronald Fernando García Ruiz , profesor asistente de física e investigador del Laboratorio de Ciencias Nucleares (LNS); Karthish Manthiram, profesor asistente de ingeniería química; Phiala Shanahan, profesora asistente de física e investigadora del Centro LNS de Física Teórica; y Wim van Rees, profesor asistente de ingeniería mecánica.
Cada año, el Departamento de Energía selecciona investigadores para obtener una financiación importante "de la fuerza laboral científica del país al apoyar a investigadores destacados en los primeros años cruciales de sus carreras, cuando muchos científicos están haciendo su trabajo más formativo. ".
Los cuatro proyectos presentados por investigadores del MIT que fueron seleccionados para el programa de este año continuarán la investigación sobre varios aspectos de la física fundamental.
Estudio de fenómenos nucleares extraterrestres y simetrías fundamentales de la naturaleza.
Los núcleos atómicos con varios protones y neutrones pueden presentar grandes variaciones en sus distribuciones de densidad nuclear. La región de los núcleos de actínidos, núcleos con más de 88 protones, es de particular interés, ya que se espera que estos núcleos exhiban formas nucleares únicas en forma de pera (deformación octupolar).
El proyecto para el que el profesor adjunto del Departamento de Física Ronald Fernando García Ruiz recibió financiación del DoE se titula “Espectroscopia láser de átomos y moléculas exóticas que contienen núcleos octupolares deformados”. El proyecto se centrará en estos núcleos y en cómo la deformación da como resultado una fuerte mejora de sus propiedades nucleares violando la simetría. Las mediciones de estas propiedades nucleares pueden proporcionar respuestas a algunas de las preguntas más urgentes de la física moderna, como el origen de la asimetría materia-antimateria en nuestro universo y las propiedades de la materia oscura.
A pesar de su importancia, nuestro conocimiento experimental de estos núcleos es muy deficiente. García Ruiz tiene como objetivo realizar experimentos de espectroscopia láser de precisión con átomos y moléculas que contienen núcleos de actínidos exóticos de corta duración. Esto se producirá solo en la nueva instalación para haces de isótopos raros.
"Los núcleos octupolares deformados son muy raros o no existen en absoluto en la naturaleza. Entonces, tienen que ser creados artificialmente, lo que requiere ambientes extremos ”, dice García Ruiz, cuyo laboratorio de láser en el Edificio 24 se espera que esté terminado en septiembre. “Además, solo se pueden crear en pequeñas cantidades (generalmente menos de 1 nanogramo) y solo pueden vivir unos pocos días o una fracción de segundo. Y tenemos que ponerlos en un átomo o en una molécula para medir sus propiedades con gran precisión ”, comenta sobre los grandes retos a afrontar con esta investigación.
Las mediciones realizadas a partir de este difícil trabajo, con el apoyo del DoE, proporcionarán las propiedades moleculares, atómicas y nucleares de los sistemas de actínidos exóticos, que son esenciales para comprender la estructura microscópica y colectiva de los núcleos octupolares deformados. Los resultados establecerán importantes puntos de referencia para el desarrollo de modelos teóricos y serán un paso esencial hacia la medición de sus propiedades de violación de simetría.
Reducir la huella de carbono oculta de los artículos cotidianos
La sociedad es cada vez más consciente de la huella de carbono detrás de muchas de nuestras actividades típicas. Pero de lo que somos menos conscientes es de que también hay una huella de carbono detrás de la mayoría de los productos químicos y materiales que encontramos a diario: la tela de la ropa que usamos, la comida que comemos. comemos y los desinfectantes que rociamos.
Karthish Manthiram, Theodore T. Miller Career Development Chair y profesor asistente en Ingeniería Química, trabaja para sintetizar estos químicos y materiales de una manera sostenible, lo que elimina la huella de carbono. Con el apoyo del DoE Early Career Award, el laboratorio de Manthiram está estudiando específicamente cómo se puede utilizar el agua como fuente de átomos de oxígeno para convertir alquenos, que son dos átomos de carbono unidos por un doble unir, en un epoxi, una configuración triangular. dos átomos de carbono y un átomo de oxígeno.
"La Oficina de Ciencias en el Departamento de Energía ha jugado un papel vital en mi propio crecimiento como científico", dice Manthiram. "Como estudiante de posgrado, fui apoyado por la Beca de Posgrado de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DoE SCGF) que me permitió para descubrir rápidamente cómo el DoE facilita la ciencia en equipo para resolver los problemas energéticos más urgentes del mundo, mientras avanza en las ciencias físicas.
El intermedio químico que está estudiando Manthiram tiene una de las huellas de dióxido de carbono más grandes de cualquier clase de productos químicos producidos en la actualidad; Los epoxis se utilizan en la fabricación de poliésteres que se encuentran en los tejidos de nuestra ropa, anticongelantes y polietilentetreftalato para botellas plásticas, entre muchos otros productos. Su trabajo no solo mejorará la durabilidad de esta importante reacción química al usar agua como fuente de átomos de oxígeno, sino que también conducirá a reacciones más seguras.
"Con el apoyo de un DoE Early Career Award", dice Manthiram. "Podré crear interacciones aún más fuertes en el ecosistema fomentado por el Departamento de Energía a medida que avanzamos hacia una síntesis química electrizante y libre de carbono".
Comprender los componentes básicos del universo
Los núcleos atómicos, compuestos por protones y neutrones, constituyen más del 99% de la masa visible de nuestro universo. La descripción cuantitativa de la estructura de protones, neutrones y núcleos en términos de quarks y gluones es un desafío clave que vincula la investigación en física nuclear y hadrónica.
Uno de los proyectos aprobados para la financiación del DoE es el proyecto del profesor asistente de física Phalia Shanahan, "La estructura de QCD de nucleones y núcleos de luz". El proyecto se centra en el mapeo de la estructura espacial, dinámica, de espín, sabor y gluones de protones y neutrones. También busca comprender cómo cambian sus estructuras a medida que forman núcleos.
Este programa de investigación utilizará varios racks de computadora de la instalación de computación de alto rendimiento Bates de LNS para realizar cálculos de primer principio de interacciones fuertes en la teoría cuántica de campos. También desarrollará algoritmos de aprendizaje automático que hayan demostrado ser precisos para acelerar los cálculos. Este mapa no solo es la clave para interpretar las observaciones de la naturaleza de acuerdo con la teoría fundamental actualmente aceptada, sino que también es esencial para informar la investigación sobre nueva física.
"Estos cálculos profundizarán nuestra comprensión de la naturaleza y establecerán puntos de referencia para experimentos futuros, como un colisionador de iones de electrones", dice Shanahan sobre la investigación que será apoyada por el premio DoE 2020. .
Los resultados del trabajo de Shanahan proporcionarán información esencial para los programas experimentales de física nuclear actuales y futuros que estudian la estructura de la materia. También proporcionará información para aquellos que buscan una violación de simetrías fundamentales y nueva física como la materia oscura.
Un nuevo marco para resolver problemas de multifísica
Comprender cómo interactúan e influyen mutuamente dos dominios con su propio físico rector es un desafío. Ya sea una burbuja en un cuerpo de agua, aire turbulento alrededor de un ala de avión flexible o manifestantes de un avión. Agua que roza la superficie de un estanque: a medida que la interfaz entre los dos dominios cambia y se deforma, se vuelve difícil capturar las interacciones físicas en juego.
Wim van Rees, profesor asistente de ingeniería mecánica y profesor en MIT Sea Grant Doherty, está desarrollando un nuevo marco computacional que podrá proporcionar predicciones precisas sobre la interacción de dos dominios, un dominio conocido como multifísica. . El trabajo titulado "Un marco de interfaz de múltiples soluciones nítido para simulaciones multifísicas estrechamente acopladas" fue preseleccionado para un Premio del Programa de Investigación de Carrera Temprana 2020 de la Oficina de Ciencias del DoE.
& # 39; & # 39; Si un cuerpo flexible interactúa con un flujo de fluido, como una delgada hoja de papel ondeando en el viento, resolver el acoplamiento entre el flujo y la estructura requiere una representación muy precisa del límite entre los dos, aunque este límite en sí mismo sufre grandes movimientos y deformaciones ”, explica van Rees.
Para su trabajo, que será financiado por la Oficina de Investigación Científica Avanzada en Computación, van Rees está desarrollando un software multirresolución que representa algorítmicamente la interfaz de dos dominios, independientemente de la geometría de la cuadrícula subcomputacional. subyacente.
“Queremos poder proporcionar un marco computacional para problemas generales de multifísica con interfaces móviles”, agrega van Rees, “que se pueda ejecutar de manera precisa y eficiente en supercomputadoras modernas como las operadas por el Ministerio de Salud. 39; Energía ".
