Qui radio plasma. L'SDR low cost negli esperimenti sull'anti-materia del CERN

Grande lezione di fisica ieri dal mio amico Ruggero Caravita, giovane scienziato attivo tra INFN di Genova e CERN di Ginevra, dove collabora nel team dell'esperimento AEgIS, che studia gli aspetti gravitazionali dell'antimateria per verificare il principio di equivalenza debole della massa. Ruggero non solo tollera la mia profonda ignoranza di una materia che lui padroneggia invece in modo sopraffino, ma conoscendo la mia strana passione per la radio e la propagazione si lascia coinvolgere in lunghe conversazioni sulla software defined radio e i meccanismi della propagazione delle onde elettromagnetiche nei plasmi, uno stato della materia (e dell'anti-materia) molto importante per gli esperimenti di AEgIS.

In genere in ambito radioamatoriale si conoscono fin troppo bene le applicazioni dell'SDR nel monitoraggio di ogni tipo di trasmissione di orgine umana o M2M, o il grande apporto che la tecnologia software-defined sta dando alla radioastronomia. Molto meno scontato è il ruolo che anche dispositivi molto economici possono avere in un laboratorio delle alte energie per lo studio "non invasivo" (un aspetto fondamentale quando si ha a che fare con particelle quantistiche, anche nei loro comportamenti classici come nel caso che andremo a trattare). Ruggero mi ha raccontato di aver utilizzato un dongle SDR che si è procurato con un investimento di un centinaio di euro per osservare il comportamento di un plasma di elettroni (ma se capisco bene potrebbe trattarsi indifferentemente di anti-elettroni) intrappolato in uno spazio di confinamento elettromagnetico. L'uso di tecniche DSP in istituzioni di questo genere non è certo una novità. Ancora una volta a stupire sono la capacità dimostrata da hardware di classe assolutamente commerciale e la flessibilità di applicazioni software sviluppate in ambito amatoriale.

In attesa della pubblicazione di un articolo più dettagliato e scientificamente autorevole da parte dell'ideatore dell'esperimento, provo a raccontare come l'ho capita io. Immaginiamo un cilindro in cui una serie di toroidi genera un campo magnetico parallelo alla lunghezza del cilindro stesso. Sulle pareti del cilindro una serie di elettrodi generano invece un campo elettrico. In questo caso immaginiamo due elettrodi carichi uno all'imboccatura, l'altro sulla parte terminale del cilindro. Sparando all'interno di questo contenitore magnetico, che tecnicamente si chiama Penning trap (qui la spiegazione fornita da un altro esperimento del CERN, Alpha) gli elettroni da intrappolare, questi cominciano ad avvitarsi a cavatappo lungo le linee di flusso del campo magnetico percorrendo la lunghezza del cilindro fino a percepire, sul fondo, il campo elettrico che respinge gli elettroni. Le particelle invertono senso di marcia e ripercorrono, sempre attorcigliandosi sulle linee di flusso magnetico, sempre confinate all'interno degli anelli della Penning trap. Tornati vicino all'imboccatura trovano il secondo campo  elettrico e il loro cammino spiraleggiante ricomincia e così via.

In questo modo un numero N di particelle si ritroverà intrappolato all'interno di questo "contenitore", creando per effetto del campo magnetico un vero e proprio plasma: un gas di elettroni che assume a sua volte la forma di un pezzo di tubo di gomma. Il moto delle particelle determina una serie di "modi" di risonanza dovuti al fatto che questo cilindro di gas subisce delle deformazioni, per esempio allungandosi e accorciandosi rispetto al suo baricentro, o subendo delle torsioni relativamente al proprio asse o ancora traslando verso destra o sinistra seguendo le oscillazioni del suo stesso baricentro. L'aspetto interessante è che il passaggio degli elettroni davanti agli elettrodi disposti assialmente lungo la parete della trappola può essere rilevato misurando il minuscolo campo generato dalle particelle in movimento, semplicemente sintonizzandosi sulla frequenza giusta. Nel caso del plasma di Ruggero questa frequenza è centrata intorno ai 25 MHz. 

C'è però un altro parametro misurabile, questa volta legato alla temperatura: per effetto del moto delle particelle, infatti, il "tubicino" di plasma subisce un certo gradiente termico (si parla di un calore davvero mimino, di una decina di gradi Kelvin). Nell'equazione che determina la frequenza di risonanza dei modi, questa è proporzionale alla temperatura T e inversamente proporzionale al numero di particelle che compongono il plasma. La temperatura, infatti, modifica la densità del plasma e quindi la frequenza dei suoi modi di oscillazione.

Ruggero mi ha fatto capire di aver predisposto l'esperimento con molta curiosità ma mi è sembrato che fosse rimasto quasi sorpreso di un successo ottenuto al primo colpo. Guardate le due videate ottenute da Ruggero con SDR# - una delle interfacce SDR più popolari e oggi alla base di un nuovo front end hardware progettato dal suo autore Youssef Touil, il "dongle" AirSpy  (con copertura tra i 24 MHz e gli 1,8 GHz) con il recente optional del downconverter SpyVerter che estende la copertura tra 1 kHz e 60 MHz http://airspy.com/). Accanto alla videata di riferimento, il "fondo" ottenuto misurando il potenziale sugli elettrodi della trappola dell'esperimento AEgIS priva di plasma di elettroni al suo interno...

«si vede benissimo - spiega Ruggero - la variazione nel tempo in frequenza del modo, che corrisponde alla variazione di densità del plasma dovuta alla temperatura che va in equilibrio»:

Sembra quasi uno ionogramma, ma nel nostro caso la lettura  è non invasiva, non prevede per esempio l'uso di una ionosonda. E le scoperte non finiranno qui. I prossimi passi di Ruggero consisteranno nell'effettuare altre visualizzazioni SDR modali, su frequenze decisamente più basse dei 26 MHz, alla ricerca per esempio degli effetti della radiazione di sincrotrone degli elettroni che si avvitano nella loro corsa, cedendo a ogni giro una briciola della loro energia.