Volando a circa 23 miglia sopra il Polo Sud, un esperimento dell'Università del Kansas appeso a un pallone meteorologico ad alta quota sta calcolando come la superficie dell'Antartide riflette i segnali radio causati dai raggi cosmici ad altissima energia.

L'esperimento Hi-Cal (High-Altitude Calibration) gira intorno al Polo Sud, trascinando centinaia di miglia dietro l'ennesimo gruppo di strumenti legati a un pallone molto più grande, denominata ANITA (per Antartide Impulsive Transient Antenna, e finanziato dalla NASA dal 2003). L'obiettivo sperimentale finale è misurare i neutrini ad altissima energia e i raggi cosmici ad altissima energia che interagiscono nel ghiaccio antartico, o con l'atmosfera terrestre, creare onde radio.

Per comprendere lo scopo di Hi-Cal, per prima cosa è fondamentale comprendere la missione di ricerca di ANITA.

"L'esperimento ANITA è quello di rilevare raggi cosmici ad altissima energia, e questi vengono rilevati in virtù della radiazione a radiofrequenza prodotta quando un raggio cosmico colpisce una molecola terrestre, che crea spruzzi di detriti tra cui particelle e radiazioni a radiofrequenza, "ha detto David Besson, professore di fisica e astronomia presso KU, che guida il team Hi-Cal.

Besson ha affermato che i raggi cosmici in arrivo generano frequenze radio rilevate da ANITA principalmente come riflessi superficiali, rimbalzando dalla superficie dell'Antartide.

"Per comprendere le proprietà delle frequenze radio raccolte da ANITA, devi capire la riflettività della superficie, " ha detto Besson.

È qui che entra in gioco l'esperimento Hi-Cal gestito da KU.

"Hi-Cal è un esperimento complementare che vola ovunque da 125 a 620 miglia dietro il carico utile principale e invia un ping, " disse Besson. "Quel segnale a radiofrequenza, che ha una durata da 10 a 20 nanosecondi, viene rilevato da ANITA proveniente direttamente dal trasmettitore Hi-Cal e dalla riflessione superficiale dall'Antartide. Osservando il rapporto tra i due segnali è possibile dedurre le proprietà della superficie della neve antartica".

Mentre il pallone principale ANITA è carico di migliaia di dollari di gadget high-tech, il successivo pallone Hi-Cal utilizza un accendino piezoelettrico che chiunque potrebbe acquistare in un negozio di ferramenta come dispositivo di ping.

"Il cuore del progetto Hi-Cal è un accendino per barbecue da $ 10, " Besson ha detto. "È un'idea molto intelligente che un paio di studenti laureati ha dimostrato che potrebbe funzionare. Quando l'abbiamo acceso nella prima missione tre anni fa, ANITA ha immediatamente registrato segnali da Hi-Cal a 500 miglia di distanza. Il vantaggio dell'Antartide è che è così silenzioso dalle radio, questo è possibile, qui a Lawrence, Kansas, sarebbe difficile con così tanto rumore radio".

A differenza degli accendini con meccanismo a pietra focaia, Gli accendini piezoelettrici funzionano se compressi meccanicamente e rilasciati improvvisamente.

"L'energia meccanica immagazzinata, se la pensi come una primavera, si presenta come un voltaggio molto alto, " disse Besson. "Con questo accendino piezoelettrico, siamo stati in grado di generare tensioni fino a $ 20, 000 generatori di segnale che dovresti ordinare su misura. Il rovescio della medaglia è che richiede una messa a punto per ottimizzare."

Finanziato da $ 230, 000 di finanziamenti della NASA circa tre anni fa, la mongolfiera Hi-Cal con il suo ping da barbecue ha effettuato tre missioni sperimentali nel tentativo di comprendere meglio la riflettività dell'Antartide alle frequenze radio. I ricercatori chiave di KU che lavorano all'esperimento includono Steven Prohira, Sasha Novikov, Jessica Stockham e Mark Stockham.

"Abbiamo un lancio ogni due anni, " Ha detto Besson. "Il pallone sale e gira intorno. In Antartide, c'è il vortice circumpolare. Se lanci un pallone, vola in cerchio intorno al polo finché il vento non inizia a portarlo via dal continente e verso l'oceano. Quando ciò accade, gli invii un segnale per eliminare il payload ANITA. Questo carico utile più recente è stato abbandonato lo scorso gennaio, e in questo momento c'è un team di recupero che include due membri di KU che sta recuperando l'hardware sperimentale. Volano verso la posizione su un aereo Twin Otter e lo cacciano".

Il payload Hi-Cal più piccolo non viene recuperato. Besson ha detto che l'ultimo volo di Hi-Cal è durato circa 10 giorni. Entrambi gli esperimenti voleranno di nuovo in tandem nel 2020.

"Stiamo cercando di calibrare l'Antartide, " disse Besson. "Se riesci a capire la riflettività dell'Antartide, potresti fare una misurazione accurata dello spettro energetico per ogni raggio cosmico nella sua riflessione superficiale. Hai bisogno di questa misurazione per dispiegare gli effetti della riflettività della superficie".

Secondo il ricercatore KU, mentre gli scienziati dietro sia Hi-Cal che ANITA accumulano più dati, sperano di essere in grado di rilevare la fonte dei raggi cosmici ad altissima energia.

"Questo è uno dei grandi santi graal della fisica dei raggi cosmici contemporanea, chiamata astrofisica delle particelle, " ha detto. "Il Santo Graal è identificare un punto nel cielo che sta producendo raggi cosmici ad altissima energia, ma le persone hanno avuto un successo limitato. Ci sono alcune prove da altri esperimenti che un tipo di galassia radiofonica chiamata blazar può ospitare un buco nero supermassiccio al suo centro. Un'altra fonte potrebbe essere un lampo di raggi gamma. Speriamo che questo lavoro possa aiutare a restringere la fonte:è necessario conoscere le caratteristiche di riflettività della superficie per ottenere quell'immagine".

Besson ha suggerito che di recente ANITA potrebbe essersi imbattuta in un mistero ancora più profondo.

"Hanno rilevato una classe di eventi che non sembrano adattarsi né al protone dei raggi cosmici né al processo dei neutrini dei raggi cosmici:la loro fonte è sicuramente un enigma, " ha detto. "ANITA è l'unico esperimento che ha rilevato questa classe di eventi. Di recente c'è stato un annuncio da parte di ANITA e un paio di documenti teorici di follow-up".