Nelle viscere del Gran Sasso si studiano i misteri del cosmo

di Marco PallaviciniDocente di Astrofisica all’Università di Genova

Astrofisica

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Ideati e realizzati a metà degli anni ’80durante la costruzione dell’autostra-da A24 Roma-Teramo, i laboratorisono composti da tre grandi sale spe-rimentali scavate nel profondo dellamontagna per proteggere gli esperi-menti dalla radiazione cosmica checontinuamente investe la superficiedel nostro pianeta. Quasi mille ricercatori da 24 paesi delmondo cercano di rispondere a do-mande cruciali in astrofisica, fisica nu-cleare e fisica delle particelle ele-mentari: qual è l’intima natura deineutrini e quanto vale la loro massa?Come funzionano le reazioni nuclearinel centro del Sole? Che sono la “ma-teria oscura” e “l’energia oscura”,quelle forme sconosciute e inafferra-bili di materia che sembrano permearela nostra Galassia e tutto l’Universonel suo insieme? Queste domande non possono esse-re affrontate da esperimenti fatti neinormali laboratori costruiti sulla su-perficie. Infatti, il flusso di raggi co-smici, - protoni di alta energia pro-venienti dal Sole e dallo spazio pro-fondo che costantemente investonol’atmosfera terrestre -, a livello delmare è circa di 200 particelle per se-condo e per metro quadrato. Gli“eventi” che si vogliono rivelare alGran Sasso, siano essi l’urto di unneutrino solare con un elettrone, ol’urto di una particella di materiaoscura con un nucleo atomico, sonoinvece straordinariamente rari, inqualche caso solo pochi eventi al-l’anno. Il rumore di fondo causato dairaggi cosmici rende impossibile la mi-

sura in superficie, mentre la rocciadella montagna riduce il flusso di par-ticelle di più di un milione, creandoquelle condizioni di “silenzio co-smico” che sono indispensabili perquesti esperimenti. Non si può ascol-tare il battito d’ala di una farfalla stan-do in discoteca.La domanda a questo punto sorgespontanea: come è possibile studiarel’Universo o il nucleo del Sole stan-do rintanati dentro una montagna? Quando guardiamo il Sole quello chevediamo è la luce emessa dalla sua su-perficie, che all’incirca si comportacome una palla incandescente allatemperatura di circa 5000 °C. Per unfisico la superficie non è però la par-te più interessante. L’energia del So-le infatti è prodotta da reazioni di fu-sione nucleare che si svolgono nel suonucleo interno. Possiamo studiare ilnucleo del Sole, anche se è nascostomezzo milione di Km sotto la sua su-perficie, nascondendoci dentro unamontagna? Anche se può sembrare

Duemila metri sotto la vetta di Corno Grande le sale dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, i più importantilaboratori sotterranei di fisica del mondo, ospitano 15 esperimentiprogettati per far luce su alcuni dei più grandi misteri del cosmo.

La Terra è sferica, per cui i neutrini per andare in linea retta dal laboratoriosvizzero del CERN fino al Gran Sasso passano sotto la crosta terrestre. La figura mostra il percorso deineutrini sotto il suolo italiano.

A fronte

La NASA ci propone questasorprendente immagine della galassia a spirale NGC 1365, un maestosouniverso di “isole” ampio 200.000 anniluce. Gli astronomi suppongono che la barra sporgente della NGC 1365svolga un ruolo cruciale nell’evoluzionedella galassia, attirando gas e polverecosmica nel gorgo di formazione dellestelle, alimentando così il buco nerocentrale.Copyright: SSRO-South – R. Gilbert,D. Goldman, J. Harvey, D. Verschtatse– PROMPT (D. Reichart)

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stupefacente, la risposta è sì. Possia-mo infatti fare una radiografia del nu-cleo del Sole sfruttando le spettaco-lari proprietà di una particella mol-to speciale emessa dalle reazioni nu-cleari, il neutrino. I neutrini sono particelle davvero uni-che e occupano un ruolo specialissi-mo nella storia della fisica italiana. Al-l’inizio degli anni ’30, il fisico tede-sco Wolfgang Pauli ipotizzò l’esi-stenza di questa particella per spiegarealcuni aspetti della radioatività. Fu pe-rò Enrico Fermi a elaborare la primateoria compiuta delle interazioni de-

boli e a spiegare il ruolo del neutri-no nei decadimenti radioattivi. Nonper caso, il neutrino è l’unica parti-cella elementare che ha un nome ita-liano (neutrino sta per piccola parti-cella neutra, e la desinenza ino è ov-viamente propria della nostra lingua).Fermi non è l’unico italiano ad avercontribuito alla fisica dei neutrini.Dopo di lui Ettore Majorana studiòa fondo la natura intima di questa par-ticella, - in modo così profondo chedopo 70 anni alcune delle sue idee so-no ancor oggi sottoposte a indaginesperimentale proprio al Gran Sasso -

, e Bruno Pontecorvo è stato l’idea-tore di uno speciale fenomeno detto“oscillazioni di neutrino”, fenomenooggi oggetto del più spettacolare eambizioso dei progetti in corso alGran Sasso.I neutrini sono particelle elementarileggerissime (almeno un milione divolte più leggeri di un elettrone e permolto tempo si è pensato che aves-sero massa esattamente nulla come laluce), e possono attraversare enormiquantità di materia senza essere mi-nimamente rallentati o deviati. Gra-zie a queste proprietà i neutrini pos-sono uscire dal nucleo del Sole, at-traversare tutta la stella (700.000 Kmdi materia densa in media come l’ac-qua), viaggiare fino a noi per 150 mi-lioni di Km, fare l’ultimo piccolosforzo di attraversare la montagna edepositare nei rivelatori preziose in-formazioni su come funziona la no-stra stella. Per questo motivo sonodifficilissimi da rivelare e solo pro-teggendosi dal “rumore” causato dairaggi cosmici è possibile studiarli ef-ficacemente. L’esperimento Borexinoè progettato appositamente per rive-lare per la prima volta i neutrini pro-dotti da una particolare reazionenucleare solare. Borexino è una sfe-ra di quasi 14 m di diametro, riem-pita con una sostanza organica pre-sente nella comune benzina che ha laproprietà di emettere luce quando unaparticella urta contro un elettrone, edequipaggiata con 2212 sensibilissimirivelatori di luce. Occasionalmente,circa 30 volte al giorno, uno fra i 100milioni di miliardi di neutrini solariche ogni giorno attraversano il rive-latore, urta un elettrone contenutonella sfera. Quando questo accade undebole ma chiaramente osservabile se-gnale luminoso sarà raccolto dai ri-velatori di luce e trasformato in se-gnali elettrici rivelabili e utilizzabiliper misurare le proprietà dei neutri-ni. L’esperimento, realizzato anchecon un significativo contributo del-la Sezione di Genova dell’Istituto Na-zionale di Fisica Nucleare e di fisicidell’Università di Genova, inizierà a

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funzionare fra pochi mesi e darà in-formazioni essenziali per verificare lanostra conoscenza della fisica solaree delle proprietà dei neutrini.Al Gran Sasso non si studiano soloi neutrini provenienti dal Sole. È in-fatti in fase di realizzazione uno deiprogetti più ambiziosi della storiadella scienza: la rivelazione di un fa-scio di neutrini prodotti a 720 Km didistanza dagli acceleratori costruitipresso i laboratori europei delCERN di Ginevra. Al CERN è sta-to infatti costruito e già provato consuccesso un fascio artificiale di neu-trini “sparati” con grandissima pre-cisione nella direzione dei laborato-ri del Gran Sasso. Lo scopo di que-sto ambizioso progetto è quello diprovare definitivamente che i neutrinihanno la proprietà di trasformarsiuno nell’altro grazie al fenomenochiamato delle “oscillazioni di sa-pore”. Che cosa sono le oscillazionidi sapore? In natura esistono tre spe-cie di neutrini, chiamati tecnica-

SopraIl rivelatore Borexino dopo il riempimento con acqua.Il scintillatore liquido.

A fronteDue viste dell’interno del rivelatore di neutrini solari Borexino prima dellachiusura e riempimento del rivelatore.

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mente elettronico, muonico e tauo-nico. Già negli anni ’50 Bruno Pon-tecorvo ipotizzò, sulla base di con-siderazioni teoriche, che quando unneutrino di una certa specie si pro-paga nello spazio abbia una certa pro-babilità di trasformarsi in un neutri-no di specie diversa. Questo feno-meno è già stato confermato in mo-do indiretto in vari esperimenti, mamanca ancora una prova definitiva.L’esperimento Opera cercherà di ri-velare neutrini di tipo tauonico alGran Sasso, da un fascio di neutrinimuonici prodotti al CERN. Se infattila teoria delle oscillazioni è corret-ta, nei 720 Km di viaggio sotto la cro-sta terrestre fra il CERN e il GranSasso (la Terra è sferica per cui la li-nea retta che congiunge i due labo-ratori passa sotto la superficie terre-stre!) i neutrini muonici prodotti da-gli acceleratori del CERN possonotrasformarsi in neutrini tauonici e ri-velare la loro presenza nel rivelato-re. L’esperimento è difficilissimo. Ilrivelatore è composto da circa200000 mattoncini contenenti 12milioni di lastre fotografiche che ver-rano esposte proprio come si fa conuna macchina fotografica non alla lu-ce ma al fascio di neutrini dal CERN,e quindi pazientemente analizzate almicroscopio per mezzo di sistemi ro-botizzati e di tanta tanta pazienza. Ineutrini tauonici riveleranno la loropresenza lasciando nelle lastre foto-grafiche dei segnali caratteristici. Larivelazione anche di un solo eventoindotto da un neutrino tauonico sa-rà la prova definitiva dell’esistenzadelle oscillazioni e la conferma del-le idee di Pontecorvo.Quanto pesa un neutrino? Anche senon è possibile dire qui perché, l’e-sistenza delle oscillazioni di sapore

suggerisce che la massa dei neutrini,a differenza di quanto si pensava fi-no a qualche anno fa, è diversa da ze-ro, ma non ci dice quanto pesano. Ineutrini sono troppo leggeri per es-sere “pesati” con le tecniche usate perle altre particelle. Queste tecnichehanno infatto mostrato che il neutri-no è più leggero di un milionesimodella massa dell’elettrone, ma nonsappiamo di più. Per misurare la mas-sa dei neutrini serve una tecnica spe-ciale: l’esperimento Cuore è il più am-bizioso progetto oggi esistente almondo per misurare la massa dei neu-trini studiando un rarissimo feno-meno di radioattività nucleare. Cir-ca 1000 cristalli di ossido di Tellurio

saranno raffreddati a 10 millesimi digrado °K per evidenziare se possibi-le questo rarissimo decadimento, edestrarre da esso il valore della massadel neutrino.Al Gran Sasso non ci si occupa solodi neutrini, e in realtà il più grande mi-stero della fisica moderna non riguardai neutrini, ma la composizione di tut-to l’Universo. Gli spettacolari progressi dell’astro-nomia avvenuti nel secolo appenaconcluso e in particolare negli anni’90 hanno evidenziato che del mon-do che ci circonda, per buona pacedi chi pensa che la scienza fonda-mentale abbia concluso il suo ciclo,non sappiamo quasi nulla. Letteral-

SopraLa sala C dei laboratori nazionali del Gran Sasso durante gli scavi e subito dopo la fine della costruzionealla fine degli anni ’80.

La sala C dei laboratori del Gran Sasso oggi con gli esperimentiOpera e Borexino.

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mente nulla. Tuttalpiù possiamo so-craticamente affermare che sappiamodi non sapere; è già qualcosa, ma dav-vero non sappiamo molto di più. In-fatti, lo studio di dettaglio di comesi muovono e si sono formate le ga-lassie, di come si espande l’Univer-so nel suo complesso e soprattuttol’analisi del “fondo a micro-onde”,ovvero il fruscio di onde radio cheproviene dallo spazio profondo e cheè il residuo più antico del Big Bang,hanno dimostrato che la materia or-dinaria, ovvero gli atomi che forma-no i pianeti, le stelle e le galassie, laciccia di chi vi scrive e voi che leg-gete, è solo il 3% di ciò che esiste nel-l’Universo osservabile. Il rimanente97% è semplicemente di naturaignota. Sappiamo che c’è perché nevediamo l’effetto nel moto delle ga-lassie e dell’Universo nel suo insie-me, ma non abbiamo idee precise suche cosa sia, anzi non abbiamo nem-meno idee vaghe. Si suppone, ma qui siamo solo allostadio di interessanti speculazioni

teoriche tuttaltro che dimostrate, checirca 1/3 di quello che c’è ma non sivede sia composto da particelle pe-santi simili per molti aspetti ai neu-trini, mentre del resto non abbiamoalcuna idea plausibile. Alla primacomponente è stato dato il nome di“materia oscura”, mentre la secondaancor più elusiva componente ha pre-so il nome di “energia oscura”. I no-mi però non ingannino. Dare un no-me ad una cosa è facile, serve a esor-cizzare il mistero, ma non vuol direaver capito. Ci sono ancora più co-se in cielo e in terra di quanto nonimmagini la nostra filosofia.Gli esperimenti Dama, CRESST,WARP e Xenon oggi in corso al GranSasso forse ci diranno che cosa è lamateria oscura, cercando di rivelareil possibile urto di una di queste par-ticelle con un nucleo atomico. È inu-tile dire che anche in questo caso sitratta di esperimenti difficilissimi e civorranno probabilmente alcuni anniprima che possano arrivare delle ri-sposte, se arriveranno. Nessuno può

prevedere a che cosa porterannoquesti esperimenti. Può darsi che lamateria oscura sia davvero un nuo-vo tipo di particella (e in tal caso èprobabile che prima o poi verrà ri-velata, forse proprio al Gran Sasso),ma è anche possibile che ciò che og-gi chiamiamo “dark matter” e “darkenergy” siano solo nomi dati alla no-stra attuale ignoranza, e che perspiegare i fenomeni osservati sia ne-cessario rivedere molto più profon-damente le nostre idee scientifiche ela nostra visione del mondo. Chi vi-vrà vedrà, se non gli verranno tagliatidel tutto i fondi alla ricerca.

Al Gran Sasso non ci si occupa solodi fisica. La natura specialissima delluogo è di interesse infatti anche perstudi di biologia e di geologia. I la-boratori sono aperti al pubblico. Èpossibile visitarli prenotando la visi-ta al sito www.lngs.infn.it

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I laboratori esterni alle pendici del Gran Sasso.

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