Large Scale Polarization Explorer (LSPE) è una missione su pallone stratosferico per la misura della polarizzazione del fondo cosmico a microonde (CMB) a grandi scale angolari che volerà durante la notte artica a fine 2019. L'esperimento è diviso in due strumenti: SWIPE che volerà su pallone stratosferico e farà vere e proprie misure di CMB e STRIP che osserverà da terra soprattutto per il controllo dei foregrounds. La sensibilità complessiva sarà circa dieci volte migliore di quella di Planck soprattutto grazie all'uso di mosaici di rivelatori di nuova concezione e all'utilizzo di un sistema criogenico di rotazione continua del polarimetro (per quanto riguarda SWIPE).
L'innovatività della mia ricerca risiede nello sviluppo del sistema criogenico di rotazione della half-wave-plate del polarimetro dello strumento SWIPE.
Per poter effettuare misure di polarizzazione di un segnale (nel nostro caso la CMB) tramite un polarimetro è necessario ruotare un componente ottico (polarizzatore o HWP) in modo da modulare il segnale e demodularlo in fase di analisi dati. Grazie a questa tecnica si riesce a concentrare il segnale astrofisico di interesse in una determinata banda intorno a 4 volte la frequenza di rotazione nel caso della HWP (2 volte nel caso del polarimetro) consentendo così di poter filtrare varie fonti di rumore e soprattutto allontanare il nostro segnale il più possibile dal rumore 1/f.
La difficoltà di questa operazione risiede nel fatto che entrambi i componenti si trovano a temperature criogeniche (tipicamente a 4K per ridurne l'emissione sui detector) ed a queste temperature effettuare una rotazione meccanica risulta difficoltoso e soprattutto produrrebbe una dissipazione tale da non essere supportata dall'apparato criogenico. Oggi questo problema viene ovviato ruotando la HWP a step, ovvero effettuando una piccola rotazione ogni qualche decina di secondi o più, ottenendo frequenze di rotazione equivalenti bassissime (decimi o meno di Hertz).
Un passo in avanti rispetto a questa tecnologia è stato fatto dall'esperimento EBEX nel 2013 che utilizzava un supporto della HWP basato sulla levitazione magnetica e un sistema di movimentazione di tipo meccanico. Questa tecnologia permetteva di accelerare meccanicamente la HWP ad una elevata frequenza di rotazione e lasciarla rallentare lentamente fino a fermarsi per poi accelerarla nuovamente. Seppur il sistema non permetteva di ruotare in maniera continua la HWP e aveva un attrito non trascurabile ha lavorato durante il volo con grande successo.
La mia idea è quella di usare un sistema basato sulla levitazione magnetica per far levitare il supporto della HWP e un motore di tipo elettromagnetico per effettuare la rotazione. Sono stati già effettuati dei test su un prototipo in scala ridotta ottenendo ottimi risultati che sono in fase di pubblicazione. A partire da questi test è stato disegnato il sistema finale che al momento è in fase di realizzazione e sarà testato nei prossimi mesi.
Una tecnologia di questo tipo consentirebbe di migliorare in maniera sensibile qualsiasi tipo di esperimento nel settore della cosmologia sia terrestre che da pallone o spaziale. Si riuscirebbe a migliorare notevolmente il rapporto segnale-rumore da un fattore 3 a un fattore 8 che unito ad un ottimo controllo dei foregrounds durante l'esperimento potrebbe portare alla misura di valori del tensor-to-scalar ratio inferiori a 0.01 consentendo così di confermare la presenza di onde gravitazionali primordiali durante la fase dell'inflazione.