Il fisico dell'Università di Chicago Abby Vieregg sta conducendo un esperimento internazionale che utilizza essenzialmente il ghiaccio dell'Antartide come un gigantesco rivelatore per trovare particelle estremamente energetiche dallo spazio. Recentemente approvato dalla NASA, il progetto da 20 milioni di dollari costruirà uno strumento che volerà sopra l'Antartide in un pallone e sarà lanciato nel dicembre 2024.
"Stiamo cercando i neutrini a più alta energia nell'universo", ha spiegato Vieregg, docente associata presso il Dipartimento di Fisica. "Si formano nei luoghi più energetici ed estremi del cosmo, e questi neutrini offrono uno sguardo unico su questi luoghi. Trovarne uno o più potrebbe permetterci di imparare cose completamente nuove sull'universo".
La collaborazione internazionale di 12 istituzioni costruirà un rivelatore radio collegato a un pallone ad alta quota, che sarà lanciato dalla NASA e viaggerà sopra l'Antartide a 36576 km, alla ricerca di segnali dai neutrini. Il progetto rivoluzionario si chiama PUEO, abbreviazione di Payload for Ultrahigh Energy Observations. I neutrini sono spesso chiamati particelle "fantasma" perché interagiscono molto raramente con la materia. Trilioni passano innocui attraverso il nostro corpo ogni secondo.
Poiché possono percorrere enormi distanze senza essere distorti o deviati, i neutrini possono servire come indizi unici su ciò che sta accadendo altrove nell'universo, comprese le collisioni cosmiche, le galassie e i buchi neri in cui vengono creati. Gli scienziati hanno rilevato alcuni di questi neutrini dallo spazio esterno che entrano nell'atmosfera terrestre. Ma pensano che ci siano ancora più neutrini là fuori che trasportano energie straordinariamente elevate, diversi ordini di grandezza superiori persino alle particelle accelerate al Large Hadron Collider in Europa.
Questi neutrini interagiscono così raramente con altre forme di materia che Vieregg dovrebbe costruire un enorme rivelatore delle dimensioni di un paese per catturarli. Oppure può usarne uno che già esiste: la lastra di ghiaccio in cima all'Antartide. "La calotta glaciale è perfetta: un blocco omogeneo, denso e radiotrasparente che si estende per milioni di chilometri quadrati", ha spiegato Vieregg. "È quasi come se l'avessimo progettato."
I neutrini possono servire come indizi unici su ciò che sta accadendo altrove nell'universo. Se uno di questi neutrini altamente energetici arriva attraverso la Terra, c'è la possibilità che si imbatta in uno degli atomi all'interno della calotta glaciale antartica. Questa collisione produce onde radio che passano attraverso il ghiaccio. Questo segnale radio è ciò che PUEO dovrebbe rilevare mentre galleggia sopra l'Antartide.
PUEO è la prossima generazione di una missione chiamata ANITA, con sede presso l'Università delle Hawaii, che ha sorvolato l'Antartide a bordo di palloni della NASA quattro volte tra il 2006 e il 2016 per cercare neutrini simili. PUEO, tuttavia, avrà un rilevatore molto più potente.
Il nuovo rivelatore sfrutta la potenza di un vecchio trucco astronomico, una tecnica chiamata interferometria, che combina i segnali provenienti da più telescopi. PUEO è costellato dappertutto di antenne radio e un sistema centrale di acquisizione dati analizzerà questi segnali per creare un segnale più forte.
Un segnale più forte sarebbe un significativo balzo in avanti, perché aiuterebbe gli scienziati a distinguere i segnali importanti dal rumore che si leva da tutte le direzioni. "Ci sono terabyte di dati che entrano nel rivelatore ogni minuto, e ci aspettiamo al massimo che alcuni eventi su miliardi siano neutrini", ha dichiarato Cosmin Deaconu, uno scienziato ricercatore UChicago che sta lavorando al software per PUEO. "Non è possibile scrivere tutti quei dati su disco, quindi dobbiamo progettare un programma per decidere molto rapidamente quali segnali conservare e quali scartare".
Molti segnali comuni sembrano neutrini, ma non lo sono. Questi possono variare dalle trasmissioni satellitari a qualcuno che agita un accendisigari. "Almeno in Antartide, ci sono solo pochi luoghi in cui gli esseri umani li genererebbero, quindi è più facile escluderli", ha spiegato Deaconu. "Ma dobbiamo anche tenere conto di cose come l'elettricità statica, generata dal vento".
Vieregg e il team hanno testato l'idea del phased array interferometrico a terra in due esperimenti: uno chiamato ARA al Polo Sud nel 2018 e un altro chiamato RNO-G in Groenlandia nell'estate del 2021. Entrambi hanno mostrato un significativo salto di prestazioni rispetto ai progetti precedenti, il che rende il rilevatore aereo di PUEO ancora più promettente. Nei prossimi mesi, il team costruirà prototipi per PUEO e finalizzerà il progetto.
"Ad esempio, vogliamo assicurarci che sia in grado di gestire il vuoto dello spazio vicino", ha spiegato Eric Oberla, uno scienziato ricercatore UChicago che sta costruendo l'hardware di PUEO. "È più difficile dissipare il calore quando non c'è aria per allontanarlo, il che può essere un problema per l'elettronica, quindi eseguiremo test in una camera a vuoto qui nel campus e successivamente in una grande camera della NASA durante la campagna di integrazione degli strumenti".