Testi poster I MICROSCOPI DELLA FISICALeggenda (per la visita guidata):in blu: posterin giallo: exhibitG: da presentare nel dettaglioL: da presentare senza soffermarsiin verde: qualche osservazione

All’ingresso della mostra …

I microscopi della fisica (poster introduttivo alla mostra)

Da sempre l’uomo esplora il mondo intorno a sé grazie ai propri sensi. Tuttavia, oltre alla nostraesperienza sensoriale, si estendono spazi tanto sconfinati da non poterli conoscere in modo diretto…così mondi inesplorati si celano nel cuore della materia e nella profondità del cosmo.

Il mestiere del fisico per lungo tempo è stato quello di comprendere le leggi che regolano il mondovisibile. Oggi i fisici si spingono oltre, indagando anche ciò che non si vede a occhio nudo. Perriuscire nell’impresa però non bastano le apparecchiature tradizionali: occorrono strumenti moltospeciali.

I Microscopi della Fisica è un viaggio alla scoperta di questi strumenti e di come essi ci hannopermesso di raggiungere conoscenze fondamentali, a volte inaspettate.

Prima sala (sala rossa)

Macro e micro (poster introduttivo alla sala)

Raramente, nella vita quotidiana, pensiamo a ciò che è molto più grande, o molto più piccolo, dellenostre dimensioni. Eppure, l’infinitamente grande e l’infinitamente piccolo, sotto molti aspetti,determinano la nostra esistenza.

La vita sulla Terra si svolge secondo ritmi dettati dalla luce del Sole, e tutti gli atomi checompongono ciò che conosciamo furono prodotti un tempo lontanissimo nel cuore delle stelle.

Da tempo i grandi predatori hanno cessato di costituire un pericolo per la maggior partedell’umanità, ma oggi dobbiamo combattere con virus delle dimensioni di un millesimo dimillimetro. Tutte le indicazioni su come siamo fatti e come facciamo a funzionare sono custoditenella doppia elica del Dna, spessa appena due milionesimi di millimetro. Gli atomi checompongono tutta la materia che conosciamo hanno un diametro di un decimilionesimo dimillimetro, e al loro interno racchiudono particelle dalle dimensioni molto minori.

Indagare l’infinitamente grande e l’infinitamente piccolo non è solo un’impresa intellettualefra le più stimolanti che l’umanità abbia mai affrontato: ma rappresenta una sfidafondamentale per il nostro progresso.

G: Agitazione sospetta (Moto browniano)

Come siamo giunti a scoprire il mondo infinitamente piccolo che si estende al di là dellanostra vista?Spesso ce ne siamo accorti grazie al fatto che esso può produrre grandi effetti, alla portata dei nostrisensi o di strumenti relativamente semplici, come lenti di ingrandimento e microscopi.

Ad esempio, se osserviamo al microscopio una goccia di acqua nella quale si trova disciolto unelemento solido, come lo zucchero, possiamo distinguere alcune particelle di quest’ultimo, ma nonle molecole di acqua, troppo piccole per essere viste. Eppure c’è un indizio della loro presenza: ilfatto che le particelle di zucchero si muovono a zig zag. Si tratta infatti di un fenomeno dovuto almoto disordinato delle minuscole molecole di acqua che urtano e spingono le particelle di zuccheroin tutte le direzioni. Questo tipo di movimento si chiama moto browniano ed è osservabile sia neiliquidi che nei gas.

Box: Il moto brownianoPrende il nome dal botanico inglese Robert Brown, che per primo si accorse del fenomeno. Era il1827 quando Brown, osservando una goccia di acqua contenente grani di polline, notò con stuporeche essi si muovevano in modo irregolare e incessante, nonostante l’acqua fosse in quiete.Fu solo nel 1905 che Albert Einstein diede una dimostrazione rigorosa delle osservazioni compiuteda Brown.

G: Moto browniano

Dida1:Che cosa voglio capire?Esiste un mondo che non possiamo vedere a occhio nudo, e talvolta nemmeno con l’ausilio deimicroscopi. Come abbiamo fatto allora ad accorgerci della sua presenza? Può il mondomicroscopico avere effetti macroscopici, ossia effetti che riusciamo a vedere?Dida2: non è previstaDida3: Che cosa osservo?Nella sfera di vetro, le palline colorate si spostano a causa degli urti con le palline di polistirolo, lequali si muovono in modo disordinato. Questi spostamenti assomigliano molto a quello checompiono le particelle di zucchero che si trovano in acqua e vengono spinte dalle molecole diquest’ultima.Ma perché le molecole che compongono un liquido o un gas si muovono in modo simile alle pallinedi polistirolo del nostro esempio?Ciò avviene per via della loro energia cinetica, la quale è proporzionale alla loro velocità elevata alquadrato, e rappresenta in sostanza il “grado di agitazione” delle molecole. Esiste una correlazionetra la temperatura di un gas o di un liquido e l’energia cinetica delle loro molecole: questa è tantomaggiore quanto più il gas e il liquido sono caldi.

G: Dal grande al piccolo (9 poster con foto)

1)Oggetto: le componenti dell’atomoDimensione reale: da un milionesimo di miliardesimo a un decimiliardesimo di metro (da 10-15 m a10-10 m)Strumento di indagine: acceleratore di particelleImmagine: riproduzione grafica

2)Oggetto: DnaDimensione reale: due miliardesimi di metro (2 x 10-9 m)Strumento di indagine: Raggi XImmagine: riproduzione grafica

3)Oggetto: cellula. Nella sezione sono visibili i mitocondri e le membrane interne.Dimensione reale: alcuni milionesimo di metro (10-6 m)Strumento di indagine: microscopio elettronicoImmagine: fotografiaCrediti: l'immagine è stata gentilmente fornita dalla Sezione di Anatomia e Istologia delDipartimento di Scienze Morfologico-Biomediche dell’Università di Verona

4)Oggetto: fogliaDimensione reale: un decimetro (10-1 m). Particolare ingrandito 10 volteStrumento di indagine: microscopio otticoImmagine: fotografia

5)Oggetto: gattoDimensioni reali: mezzo metro (0,5 x 100 m)Strumento di indagine: occhio umanoImmagine: fotografia

6)Oggetto: boscoDimensioni reali: da dieci a mille metri (da 101 a 103 m)Strumento di indagine: binocoloImmagine: fotografia

7)Oggetto: LunaDistanza da noi: un miliardo di metri (109 m)Strumento di indagine: telescopioImmagine: fotografiaCrediti: L’immagine è stata gentilmente fornita da Paul Kanevsky http://pk.darkhorizons.org

8)Oggetto: il “cuore” della galassia WhirlpoolDistanza da noi: mille miliardi di miliardi di metri (1021 m)Strumento di indagine: telescopio spaziale HubbleImmagine: fotografia astronomicaCrediti: Nasa and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)Ringraziamenti: N. Scoville (Caltech) e T. Rector (NoAo)

9)Oggetto: galassie fotografate a grande profonditàDistanza da noi: cento milioni di miliardi di miliardi di metri (1026)

Strumento: telescopio spaziale HubbleImmagine: fotografia astronomicaCrediti: NASA, N. Benitez (JHU), T. Broadhurst (Racah Institute of Physics/The HebrewUniversity), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/LickObservatory), the ACS Science Team e ESA

G: Dal piccolo al grande (Gioco “Micro & Macro” al computer)

Immaginiamo di poter fotografare le più piccole particelle elementari e di avere a disposizione unaprodigiosa macchina fotografica che possa scattare fotografie “allargando” di 10 volte il suo campoa ogni scatto, partendo da un protone e arrivando fino a vedere una parte dell’universo che dista danoi dieci miliardi di anni luce.

Dopo 43 scatti la nostra macchina arriverebbe a fotografare una galassia lontana cento milioni dianni luce. Il primo scatto esplorerebbe una dimensione di un miliardesimo di miliardesimo di metro(0.000000000000000001 metri) e l’ultimo una dimensione di 10 milioni di miliardi di miliardi dimetri (10.000.000.000.000.000.000.000.000 metri)!Esiste qualcosa di più piccolo o più grande di queste dimensioni? È precisamente ciò di cui sioccupano oggi i fisici, che cercano, con raffinate tecnologie, di scovare particelle sempre piùelementari e di capire la struttura dell’Universo.Ma come sono fatti gli strumenti usati dai ricercatori? E come sono stati svelati, grazie a essi, moltidei misteri del mondo che ci circonda?

Gioco “Micro & Macro” al computer (non prevede didascalia)

Seconda sala (sala gialla)

Dentro l’atomo (poster introduttivo alla sala)

Il concetto di atomo è presente nella storia del pensiero umano fin dall’epoca dei greci, ma solo daiprimi anni dell’800 si cominciarono ad accumulare prove sperimentali a favore del fatto che non sipuò scomporre la materia all’infinito, anche se è possibile andare molto avanti in una ipotetica seriedi divisioni: persino all’interno degli atomi possono essere individuate diverse componenti.Tuttavia questo processo ha una fine perché esistono le cosiddette particelle elementari, le quali nonsono divisibili.Ma quali sono queste particelle? E quali forze permettono loro di restare unite, formando tutti icorpi che conosciamo?

G: La scoperta del nucleo (Modello dell’esperimento di Rutherford)

Alla fine dell’800 molti scienziati concordavano sul fatto che le componenti più minute dellamateria fossero particelle chiamate atomi. Alcuni esperimenti avevano anche dimostrato che questeultime dovevano contenere cariche positive e cariche negative. Ma come erano distribuite questecariche?Il fisico inglese Joseph John Thomson, il primo ad accorgersi della presenza delle cariche negativeche chiamò elettroni, riteneva che l’atomo somigliasse a una sorta di panettone: gli elettroninegativi (l’uvetta) si sarebbero distribuiti all’interno di una sfera positiva (la pasta).A scoprire che nella realtà le cose non stanno così fu nel 1911 il fisico neozelandese ErnestRutherford, il quale capì che l’atomo è quasi del tutto “vuoto”: esso è composto da un nucleo

piccolo e compatto dotato di carica positiva, circondato da uno “sciame” di elettroni, con caricanegativa. Rutherford giunse a questa conclusione grazie a un celebre esperimento.

Schema dell’esperimento di Rutherford

G: Modello dell’esperimento di Rutherford

Dida1: Che cosa voglio capire?Come ha fatto Rutherford a svelare i segreti della struttura dell’atomo? Il trucco è osservare checosa accade a una particella “proiettile” quando si scontra con un atomo…Dida2: Che cosa devo fare?Tira il primo stantuffo rosso e osserva ciò che accade. Ripeti l’operazione anche con gli altri duestantuffi. Alla fine, per recuperare i dischetti, premi il pulsante verde che trovi sotto il piano deltavolo.Dida3: Che cosa osservo?Quando concepì il suo esperimento, Rutherford riteneva fondata l’ipotesi di Thomson, secondo laquale l’atomo avrebbe avuto una struttura a panettone (cioè sarebbe stato una sorta di sfera positivacontenente alcune cariche negative). In questo caso, le particelle proiettile avrebbero quasi tutteattraversato il soffice “panettone”, subendo però un piccola deviazione della loro traiettoria.Con sua sorpresa Rutherford notò invece che la maggior parte dei nuclei di elio attraversavanoindisturbati o quasi la lamina contro cui erano lanciati, altri subivano nette deviazioni e altri ancora(circa uno su 8000) venivano addirittura riflessi e tornavano indietro.A che cosa era dovuto l’inaspettato comportamento delle particelle quando colpivano la laminad’oro?Rutherford dedusse che gli atomi devono essere costituiti per lo più da spazio vuoto, con uno“sciame” di elettroni che ruotano intorno ad un nucleo denso e piccolo. Quest’ultimo è in grado dideviare o respingere le particelle che gli passano molto vicino. L’esperimento di Rutherford furivoluzionario anche dal punto di vista tecnico e aprì la strada a un nuovo modo di “guardare”l’infinitamente piccolo.

L: “Vedere” gli atomi (poster isolato)

Grazie al suo esperimento, Rutherford riuscì a “vedere” per la prima volta come è fatto unatomo. Possiamo allora dire che il suo dispositivo funzionava come una sorta di microscopio?

In effetti Rutherford inventò un tipo particolare di microscopio, che nella sostanza viene tuttoraimpiegato dai fisici: un acceleratore di particelle. Ma perché questo funziona per “vedere” gliatomi?

Quando i nostri occhi vedono un oggetto, in realtà non fanno altro che captare la luce che essoriflette (figura 1). La luce però ha una particolare natura: è composta da particelle chiamate fotoni,che possono essere descritti anche come onde dotate di una propria lunghezza d’onda (diversa aseconda del colore della luce stessa e tanto più piccola quanto più grande l’energia del fotone).Se le dimensioni dell’oggetto da “vedere” sono più piccole della lunghezza d’onda della luceche lo investe, quest’ultima non viene riflessa, anzi passa oltre letteralmente indisturbata,come una grossa onda di mare sopra un piccolissimo scoglio (figura 2). Di conseguenza l’oggettodiventa praticamente invisibile, anche sotto la più potente lente di ingrandimentoimmaginabile. Come fare a scovarlo? L’idea risolutiva, escogitata da Rutherford, è bombardarlonon con la luce, quindi non con fotoni, bensì con altri tipi di particelle, di energia maggiore edunque dotate di una lunghezza d’onda più piccola del diametro dell’oggetto stesso. Poi, però,

occorre un “occhio” in grado di captare le variazioni che hanno subito le onde incontrandol’oggetto. Questo occhio si chiama rivelatore e nel caso di Rutherford era una semplice lastrafotografica “impressionata” dalle particelle usate come proiettili (figura 3).

G: A caccia di elettroni (Sonoscopio)

Nell’ultimo secolo l’immagine dell’atomo formato da un nucleo circondato da elettroni ci èdivenuta familiare. Ma è veramente fatto così?In realtà studiando il mondo subatomico, molte regole che ci appaiono scontate nella vita quotidianaperdono la loro validità, mentre divengono validi i principi dettati dalla cosiddetta meccanicaquantistica. Secondo quest’ultima, è impossibile individuare l’esatta posizione di un elettroneche orbita intorno al nucleo, così come potremmo invece fare per una automobile che viaggialungo un’autostrada.Sappiamo però che la posizione degli elettroni intorno al nucleo è descritta da una celebreequazione, chiamata “equazione di Schrödinger”, secondo la quale gli elettroni possono trovarsiovunque intorno al nucleo ma ci sono alcune zone, chiamate orbitali, in cui è più probabile chesi dispongano.

Box: Identikit dell’elettrone- Massa: 9,109390 x 10-34 grammi (circa 910 miliardesimi di miliardesimo di miliardesimo dimiliardesimo grammo)- Carica elettrica: 1,602 x 10-19 coulomb (1,6 decimi di milionesimo di miliardesimo dimiliardesimo di coulomb). Una normale batteria di un cellulare contiene un carica di circa 5000Coulomb: immaginate quanti elettroni!- Tempo di orbita intorno al nucleo di idrogeno: 150 attosecondi (150 miliardesimi di miliardesimidi secondo). Un elettrone orbita un milione di miliardi di volte in un battito di ciglia.

G: Sonoscopio

Dida1: Che cosa voglio capire?Come sono distribuiti gli elettroni intorno al nucleo? A volte per aiutare a capire i concetti dellafisica sono sufficienti semplici oggetti di uso quotidiano, come una pentola e un po’ di caffè… Dida2: Che cosa devo fare?Con il colino, fai uno strato di caffè il più possibile uniforme sulla membrana tesa sopra la pentola.Avvicina poi la bocca all’apertura del tubo di cartone e metti le mani in modo da toccare sia il tuoviso che il tubo di cartone (così che l’aria passi direttamente dalla bocca all’interno del tubo senzadisperdersi all’esterno). Ora emetti un suono basso e profondo, tipo “om”, senza modulare la voce.Dida3: Che cosa osservo?“Parlando” nel tubo, facciamo vibrare con la nostra voce la membrana di gomma posta sull’aperturasuperiore della pentola. A causa della vibrazione, alcune zone della membrana si muovono meno dialtre. Poiché i granelli di polvere di caffè tendono ad essere spinti via dalla zona dove la vibrazioneè maggiore, il caffè si dispone un po’ ovunque sullo strato di gomma, ma soprattutto nelle zone piùstabili. Si formano così delle figure ben delineate.Il modo di disporsi del caffè in questo esempio non ha una correlazione diretta con la posizionedegli elettroni intorno a un nucleo atomico, ma assomiglia un po’ a quanto avviene negli atomi. Laprobabilità di trovare un granello di caffè nelle zone meno soggette a vibrazione della gomma èinfatti idealmente analoga alla probabilità di trovare un elettrone in uno degli orbitali checircondano il nucleo atomico.

G: La forza elettromagnetica (Bicicletta e trenino)

Gli elettroni sono in perenne movimento intorno al nucleo. Ma per quale motivo tendono a restare“al loro posto”, senza sfuggire lontano o cadere sul nucleo stesso? Ciò è possibile grazie all’azionedi due forze, uguali e contrarie, che si equilibrano vicendevolmente: la forza centrifuga, dovuta allarotazione degli elettroni attorno al nucleo, e la forza elettromagnetica, cioè l’interazione tra elettronie nucleo. Da un lato, se vi fosse la sola forza centrifuga, gli elettroni schizzerebbero via dal nucleo;dall’altro, se vi fosse la sola forza elettromagnetica gli elettroni cadrebbero sul nucleo. La forzaelettromagnetica, dal punto di vista della fisica delle particelle, non è altro che un incessantescambio di fotoni fra elettroni e nucleo.La forza elettromagnetica è la stessa responsabile dei fenomeni elettrici e magnetici.In effetti, elettricità e magnetismo sono due facce della stessa medaglia ed entrambi i fenomenihanno un campo d’azione (ossia esiste un’area entro la quale si sentono i loro effetti), che puòvariare nel tempo. Dove c’è un campo elettrico variabile nel tempo, si genera un campo magneticoe, viceversa, se un campo magnetico non è costante nel tempo allora produce un campo elettrico.Possiamo accorgerci di questo fenomeno facendo scorrere un magnete all’interno di un bobina difilo conduttore: in questo modo si genera una corrente elettrica che corre lungo il filo e può essereutilizzata per fare accendere una lampadina. È il principio della dinamo.

Box: Magnetismo ed elettricitàFu Michael Faraday, nella prima metà dell’Ottocento, a svolgere i primi esperimentisull’“induzione elettromagnetica”, cioè sulla produzione di corrente elettrica grazie al magnetismo,chiarendo così il legame fra i due fenomeni.

G: Bicicletta e trenino

Dida1: Che cosa voglio capire?Lo sai che lo stesso meccanismo che fa accendere il fanalino della tua bicicletta può anche farfunzionare un trenino elettrico? Questo perché elettricità e magnetismo sono due facce della stessamedaglia…Dida2: Che cosa devo fare?Sali sulla bicicletta e pedala.Dida3: Che cosa osservo?Alla ruota anteriore della bici, è connessa una dinamo. Quando la ruota gira, il suo moto rotatorioviene trasmesso attraverso un piccolo albero a un magnete che si trova all’interno della dinamostessa. Intorno al magnete è avvolta una spirale di rame, le cui estremità sono collegate al trenino(in una normale bicicletta invece sono di solito collegate a un fanalino). Quando il magnete ruota, sigenera un campo magnetico variabile nel tempo che a sua volta produce una corrente elettrica laquale percorre la spirale di rame e quindi fa muovere il trenino. Più forte si pedala, più veloce ruotail magnete, maggiore è l’intensità della corrente elettrica e quindi la velocità del trenino! (o la lucedel fanalino in una normale bici).

G: Le forme del campo magnetico (Le forme del campo magnetico)

Ogni magnete genera intorno a sé quello che viene chiamato dai fisici un “campo magnetico”. Laforma e la direzione di un campo magnetico dipendono dalla forma del magnete. Quando unago di ferro si trova all’interno di un campo magnetico, tende a magnetizzarsi anch’essoorientandosi secondo la direzione del campo in quel punto. Se gli aghi sono molti, essi sidispongono formando una serie di linee curve. Queste ultime vengono chiamate “linee di campo”e per rappresentare un campo magnetico si tracciano proprio alcune di esse. Non è possibile però

tracciarle tutte, perché sarebbero infinite. Per rendere la rappresentazione più efficace, a ogni lineaviene dato un verso, quello che va dal polo nord al polo sud del magnete, e si disegnano tante piùlinee quanto più è intenso il campo.

G: Le forme del campo magnetico

Dida1: Che cosa voglio capire?Come facciamo a “vedere” un campo magnetico? Secondo te, utilizzando calamite diverse cambiaanche la forma del campo magnetico che esse producono?Dida2: Che cosa devo fare?1) Agita bene il parallelepipedo così da spargere in modo uniforme la limatura di ferro.Inserisci i magneti nei due appositi fori sulle facce laterali del parallelepipedo e prova tutte lecombinazioni possibili: invertendo i poli, con uno e con entrambi i magneti. Osserva ciò che accadealla limatura di ferro.2) Agita bene il parallelepipedo così da spargere in modo uniforme la limatura di ferro.Inserisci il magnete nell’apposito foro posto sulla faccia superiore del cubo. Osserva ciò che accadealla limatura di ferro.3) Agita bene il parallelepipedo così da spargere in modo uniforme la limatura di ferro.Accosta alla piastra contenente limatura di ferro i diversi magneti e muovili. Osserva ciò che accadealla limatura di ferro.Dida3: Che cosa osservo?In uno spazio, esiste un campo magnetico quando un ago magnetico libero di ruotare tende adisporsi secondo una precisa direzione: quella che va dal polo nord al polo sud del magnete. Lalimatura di ferro, quindi, si dispone lungo le linee del campo magnetico, evidenziandone laconfigurazione, che perciò dipende dalla forma del magnete.

G: Il campo magnetico terrestre (Il campo magnetico terrestre)

Il nostro pianeta, il cui nucleo è costituito da nichel e ferro allo stato liquido, si comporta come ungigantesco magnete, dotato di un polo nord e di un polo sud. La presenza del campo magneticoterrestre è rivelata da molti fenomeni direttamente osservabili, tra i quali il fatto che le bussolesi orientano secondo una direzione ben precisa e il fatto che la Terra “cattura” particelle con caricaelettrica provenienti dallo Spazio, come avviene nelle aurore boreali.Dopo numerose misurazioni, oggi sappiamo che i poli magnetici non coincidono con i poligeografici: l’asse di rotazione terrestre, infatti, non si sovrappone perfettamente a quello magnetico.E sappiamo anche che il campo magnetico della Terra cambia nel tempo. Per esempio, nell’arco dialcuni milioni di anni i poli magnetici terrestri si scambiano tra loro: il polo nord diventerà il polosud e viceversa.

Box: Le aurore borealiAll’origine di questi fantastici spettacoli di luci colorate c’è ilcosiddetto vento solare, cioè elettroni e protoni che vengono emessi dalla nostra stella e catturati dalcampo magnetico della Terra. Quando queste particelle cariche urtano contro gli atomi checompongono gli strati più alti dell’atmosfera, cedono loro un po’ della propria energia. Gli atomirilasciano quasi immediatamente l’energia acquisita, emanandola sotto forma di luce. Il Sole emettein continuazione particelle cariche, ma le aurore boreali si vedono solo quando il vento solare èparticolarmente intenso. Inoltre, per avere buone probabilità di vedere le aurore boreali occorrespingersi verso l’estremo nord o sud del pianeta, perché le particelle cariche che giungono dal Solesi muovono lungo le linee del campo magnetico terrestre, le quali convergono proprio verso le zonePolari.

Il campo magnetico terrestre

Dida1: Che cosa voglio capire?Se una calamita o un ago magnetico sono liberi di muoversi, e non vi sono altre calamite nellevicinanze né correnti elettriche, essi tendono a orientarsi secondo la direzione del campo magneticodella Terra, cioè verso nord come tutte le bussole. Ma se l’ago viene immerso in un altro campomagnetico oltre a quello terrestre che cosa accade?Dida2: Che cosa devo fare?Attivate il campo magnetico girando la manopola che fa variare la corrente all’interno della bobina,e provate a variarne l’intensità.Dida3: Che cosa osservo?Variando la quantità di corrente che passa nella bobina, creiamo un campo elettrico variabile neltempo. Questo a sua volta genera un campo magnetico. Ci accorgiamo della comparsa del campomagnetico perché l’ago subisce la sua influenza e cambia orientazione. Le variazioni sono tantomaggiori quanto più intenso è il campo magnetico.Come facciamo a sapere qual è il valore del campo magnetico terrestre? Quando facciamo ruotarel’ago di mezzo giro (180°), abbiamo prodotto un campo magnetico uguale ma contrario rispetto alcampo magnetico terrestre. Se conosciamo l’intensità della corrente, e di conseguenza, il campomagnetico che abbiamo generato, possiamo ricavare la misura del campo magnetico della Terra.

G: Com’è fatto un acceleratore (Filmato di “Dafne” e gioco “Particelle e campi magnetici”)

Per studiare il “cuore” dell’atomo e scoprire le sue più piccole componenti, si usano grandimacchine chiamate acceleratori di particelle. Sono un po’ i discendenti dello strumento che nel1911 permise ad Ernest Rutherford di capire che l’atomo è composto da un nucleo circondato daelettroni.Con il tempo, sono stati sviluppati acceleratori di particelle e rivelatori sempre più sofisticati,ma l’idea alla base di questi strumenti non è cambiata. Si tratta sempre di accelerare particelle agrandissima velocità e poi farle scontrare tra loro o contro un bersaglio fisso. In questo modo siproducono effetti che vengono registrati dai rivelatori e poi analizzati dai fisici. È un po’ cometentare di capire la composizione di un oggetto rompendolo e quindi analizzando i suoi frammenti.Acceleratori e rivelatori, nel loro insieme, costituiscono i veri e propri microscopi della fisica.

Filmato sull’acceleratore “Dafne” di Frascati (non è prevista la didascalia)

Gioco al computer “Particelle e campi magnetici” (non è prevista la didascalia)

La sfida di LHC (Gioco al computer “Lhc game”)

La sfida scientifica e tecnologica più ambiziosa fra quelle che i fisici delle particelle di tutto ilmondo, e i ricercatori dell’Infn, stanno affrontando è la realizzazione dell’acceleratore LargeHadron Collider (Lhc), oggi in fase di costruzione al Cern di Ginevra.Lhc sarà un acceleratore in cui protoni o ioni si scontreranno ad energie più alte di quelle finoraraggiunte con gli altri acceleratori. Questo permetterà di ricreare condizioni molto vicine a quelleche hanno caratterizzato i primi istanti dell’Universo, appena dopo il Big Bang.Uno dei maggiori obiettivi di Lch è generare fra particelle urti tanto violenti da produrre il bosonedi Higgs. Questa particella, che prende il nome da Peter Higgs, il fisico scozzese che ha ipotizzatola sua esistenza, sarebbe responsabile della massa di tutte le altre particelle.Il bosone di Higgs produrrebbe il “campo di Higgs”, un po’ analogo ai campi di forza, il qualeinteragendo coi campi associati alle altre particelle, attribuirebbe a ciascuna di esse la propria

massa: le particelle che interagiscono fortemente col campo di Higgs sono particelle “pesanti”,mentre quelle che interagiscono debolmente sono “leggere”.Quello che i fisici cercheranno col progetto Lhc sono i segni dell’esistenza del bosone di Higgs.

BoxIl tunnel di Lhc sarà lungo 27 chilometri e si troverà a 100 metri di profondità, nel sottosuolo allaperiferia di Ginevra. Per la sua costruzione saranno utilizzati oltre 1200 magneti.Lch significa “grande acceleratore di adroni” perché le particelle che saranno accelerate e fattescontrare al suo interno saranno appunto adroni, ossia protoni (nuclei di idrogeno) o nuclei dielementi più pesanti costituiti da tanti protoni e neutroni (per esempio nuclei di piombo).

Didascalie delle foto dei rivelatori di LHC:

CMSIl rivelatore Cms, ovvero Compact Muon Solenoid, è lungo 22 metri e ha un diametro di 16. Lostrumento si propone di rivelare soprattutto i muoni, particelle con carica uguale a quelladell’elettrone, ma con massa 200 volte superiore, la cui presenza nei prodotti delle collisioni fraprotoni in Lhc potrebbe fornire importanti indizi sulla particella più sfuggente della fisicasubnuclare: il bosone di Higgs.

ATLASAtlas, ovvero A Toroidal LHC ApparatuS, è il più grande dei rivelatori in costruzione presso Lhc.Con i suoi 44 metri di lunghezza e 22 di altezza, Atlas ha richiesto lo scavo di un’apposita cavernae vanta il più grande circuito magnetico mai realizzato al mondo, lungo 26 metri, costruitointeramente in Italia. Si tratta di un rivelatore in grado di registrare molteplici informazioni sulleparticelle prodotte nelle collisioni. Si prevede che Atlas sarà in grado di rivelare un miliardo dicollisioni l’anno e che potrà misurare la traiettoria di una particella con un’eccellenteaccuratezza (pochi millesimi di millimetro di errore) .

ALICEAlice, A Large Ion Collider Experiment, è l’unico esperimento di Lhc in cui verranno studiate lecollisioni fra nuclei di piombo, invece che fra singoli protoni. Usando ioni pesanti (nuclei di atomiai quali sono stati tolti tutti gli elettroni), l’energia delle collisioni sarà tale che i fisici sperano diosservare la formazione di un plasma di quark e gluoni: uno stato della material esistito solo perpochi miliardesimi di secondo dopo il Big Bang, in condizioni di densità e di energia estremamenteelevate.

LHC-bLhc-b (Large Hadron Collider beauty) sarà dedicato allo studio del decadimento di particolariparticelle contenenti quark di tipo b (beauty), le quali saranno prodotte in seguito allo scontro frafasci di protoni. Lo scopo ultimo di questi studi è capire in dettaglio cosa accadde subito dopo ilBig Bang e in particolare il diverso comportamento della materia e dell’antimateria (formata daparticelle identiche a quelle che compongono la prima ma dotate di alcune cariche opposte).Materia e antimateria dovrebbero essere comparse in quantità uguali poco dopo il Big Bang,eppure oggi tutto ciò che conosciamo è composto di sola materia.

LHC(Didascali foto aerea di LHC):

Vista aerea della zona dove, a circa 100 metri di profondità, è situato il tunnel di Lhc, e posizionedei quattro esperimenti.© Foto Cern

Gioco al computer “Lhc game”

G: L’acceleratore di casa (Televisore)

Quasi tutti noi abbiamo un acceleratore di particelle, proprio in casa: il più semplice e comune diquesti dispositivi è infatti il televisore, nel quale un piccolo fascio di elettroni viene accelerato einviato su uno schermo fluorescente dove “disegna” l’immagine televisiva.All’interno del tubo catodico c’è un filamento che, riscaldato, emette elettroni. Questi ultimivengono accelerati da un campo elettrico generato da una tensione di circa 20.000 Volt.Ma come fanno gli elettroni a formare la figura sullo schermo fluorescente? Se non vi fossealcun sistema di deflessione, il fascio di elettroni colpirebbe lo schermo sempre nello stesso punto:noi vedremmo così solamente un punto luminoso e non una figura. Le cariche elettriche inmovimento sono perciò deviate per mezzo di campi magnetici, generati in due coppie di bobine(una che consente la deflessione orizzontale e l’altra invece quella verticale): è così possibileindirizzare gli elettroni in un punto voluto dello schermo.I magneti ricevono il comando su come deviare gli elettroni dall’antenna, la quale capta ilsegnale televisivo: il punto luminoso prodotto dal fascio di elettroni si sposta così sullo schermo e,guidato, riproduce, a poco a poco, l’immagine “catturata” dalla telecamera.Ma, allora, se l’immagine si forma gradualmente, noi dovremmo vedere un punto luminoso inmovimento e non una figura completa? Ciò non accade perché i nostri occhi sono “troppo lenti”:essi non sono in grado di distinguere due immagini che si susseguono a meno di un decimo disecondo l’una dall’altra. Poiché il fascio di elettroni impiega appena un centesimo di secondo adisegnare una immagine, in un decimo di secondo l’immagine sullo schermo viene ridisegnata bendieci volte!

G: Televisore

Dida1: Che cosa voglio capire?L’immagine che compare su un televisore è prodotta dalla successione di innumerevoli fasci dielettroni che raggiungono lo schermo. Possiamo disturbare il loro percorso? E in questo caso checosa accadrebbe sullo schermo?Dida2: Che cosa devo fare?Appoggia il magnete sulla parte superiore del televisore, e osserva che cosa avviene. Prova anche agirare il magnete, in modo da invertire il polo che viene accostato al televisore. ATTENZIONE:Non avvicinare il magnete direttamente allo schermo del televisore, altrimenti si provocherannodanni e dopo breve questo gioco non potrà più essere ripetuto.ATTENZIONE: L’esperimento non va fatto col televisore di casa, altrimenti lo danneggereteirrimediabilmente.Dida3: Che cosa osservo?Quando avviciniamo la calamita allo schermo del televisore questa, col suo campo magnetico, attiragli elettroni e ne devia il percorso. Di conseguenza essi non seguono solo le indicazioni ricevute daimagneti all’interno del televisore e l’immagine risulta distorta. Più è intenso il campo magneticocreato dalla calamita, più l’immagine si modifica.

G: Un piccolo acceleratore

Dida 1: Che cosa voglio capire?Questo strumento è un piccolo acceleratore di particelle, in particolare di elettroni. Essi sonovisibili, perché il tubo di vetro è riempito di gas (elio) il quale, in seguito al passaggio delleparticelle cariche, rilascia luce colore blu.Come faccio ad accelerare gli elettroni? E come posso deviare il loro percorso?Dida 2: Che cosa devo fare?

1. Esperienza 1: Gira la prima manopola (a sinistra) per far variare la corrente nelle bobine emodificare così l’intensità del campo magnetico. Osserva il valore della corrente sul displaye verifica come varia il raggio della traiettoria degli elettroni se faccio aumentare odiminuire il campo magnetico.

2. Esperienza 2: Adesso prova a variare la quantità di carica sulle due piastrine metalliche cheaccelerano gli elettroni, girando la seconda manopola (a destra), e leggi il valore dellatensione sul display. Osserva ancora come varia la traiettoria circolare se faccio variare lavelocità delle particelle.

Dida 3: Che cosa osservo?1. Esperienza 1: I due avvolgimenti di filo di rame (bobine) sono percorsi da corrente variabile

e generano per questo un campo magnetico. Quando un elettrone si muove in un campomagnetico, poiché e' carico, risente di una forza dovuta alla presenza del campo. Diconseguenza, esso è deviato lungo una traiettoria circolare di raggio tanto più piccolo quantopiù il campo è intenso. Per questa ragione, aumentando il campo magnetico la traiettoriacircolare si restringe. La deviazione non dipende solo dall’intensità del campo magnetico,ma anche dalla carica delle particelle e dalla loro massa e sarebbe quindi diversa seusassimo protoni invece che elettroni. Nei grandi acceleratori di particelle, le particelle sonodeviate da campi magnetici proprio come in questo piccolo strumento.

2. Esperienza 2: Gli elettroni che si muovo nel piccolo acceleratore, sono emessi da unfilamento riscaldato. Il calore, infatti, mette in agitazione gli atomi del filamento, i qualiscontrandosi liberano gli elettroni più esterni. Una volta liberi, gli elettroni passano tra duepiastrine metalliche con carica opposta: quella più vicina è negativa e tende a far sfuggire glielettroni (negativi anch’essi), mentre quella più lontana (positiva) li attira. Questo processoaccelera gli elettroni. Aumentando la differenza di carica fra le due piastrine aumenta ladifferenza di potenziale (detta "tensione") e cresce la velocità degli elettroni. Anche questoeffetto provoca il restringimento della traiettoria seguita dagli elettroni. Nei grandiacceleratori di particelle, gli elettroni (o altre particelle cariche) vengono accelerati seguendolo stesso principio del nostro esperimento.

G: Com’è fatto un rivelatore (Rivelatore)

Quando all’interno di un acceleratore le particelle si scontrano tra loro o con un bersaglio,producono ciò che i fisici chiamano un “evento”. Durante quest’ultimo si creano nuove particelle lequali, pur sopravvivendo appena poche frazioni di secondo, possono fornire moltissimeinformazioni sulle particelle dal cui scontro hanno avuto origine e, di conseguenza, sulla strutturapiù intima della materia. Per raccogliere simili informazioni occorre però un “occhio” in gradodi captare gli effetti dell’evento che è stato provocato. Questo “occhio” è il cosiddetto rivelatoredi particelle. Esso è di solito costituito da molti strati di materiali diversi. Le particelleinteragiscono in modo differente con i vari materiali e, mentre li attraversano, rilasciano energia eproducono un piccolo “segnale” del loro passaggio. Tutti questi segnali vengono registrati da

potenti calcolatori. L’insieme dei dati permette non solo di ricostruire la traiettoria delle particelle edi misurare la loro energia, ma anche di identificarle, misurandone la carica (positiva, negativa onulla), la massa, e altre caratteristiche.Infine, i dati così elaborati vengono studiati dai fisici per capire la natura dell’evento e trarneinformazioni sulla struttura più microscopica delle particelle e sul loro modo di interagire durantegli scontri.

Figura KLOE:

Camera a fili dell'apparato sperimentale Kloe (Laboratori Nazionali di Frascati dell’Infn)Gli anelli luminosi visibili nella figura sono causati dai circa 50.000 fili tesi tra le due estremitàdella camera. Il passaggio di particelle subatomiche ionizza il gas che riempie la camera (ovverostrappa elettroni agli atomi che lo compongono) e induce segnali elettrici nei fili più vicini allatraiettoria della particella.

Figura GASP:

"Particolare del rivelatore Gasp (Grande Array per SPettroscopia nucleare) per la rivelazione deiraggi gamma, presso i Laboratori Nazionali di Legnaro (Padova) dell'Infn. I raggi gamma sonofotoni con un’energia superiore a decine di milioni di elettronVolt (mentre l’energia dei fotoni checompongono la normale luce e’ di circa un elettronVolt). Per osservare i numerosi raggi gammaemessi in una reazione nucleare, sono necessari sistemi contenenti un gran numero di rivelatori,che circondano completamente il bersaglio nel quale si produce la reazione. Gasp è composto da 40rivelatori di germanio, un materiale particolarmente adatto alla rivelazione dei fotoni".

Traduzione della piccola legenda in alto a sx:Muon: muoneElectron: elettroneCharged Hadron: adroni dotati di carica (per esempio, pioni)Neutral Hadron: adroni neutri (per esempio, neutroni)Photon: fotoni

Sezionetrasversale di unrivelatore

2. Calorimetroelettromagnetico

4. Solenoidesuperconduttore

5. Sistema di identificazione di muoni3. Calorimetroadronico

1. Tracciatore al silicio

1) Tracciatore al silicioLe particelle cariche, attraversando lo strato di silicio, rilasciano parte della loro energia che vienein questo modo rivelata. Questo consente di “vedere” dove sono passate le particelle conun’approssimazione di pochi millesimi di millimetro.

2) Calorimetro elettromagneticoIl calorimetro è un dispositivo che serve a misurare l’energia delle particelle.Il particolare, il calorimetro elettromagnetico serve a misurare l’energia di elettroni e fotoni.

3) Calorimetro adronicoServe a misurare l’energia degli adroni, cioè delle particelle come protoni e neutroni.

4) Il solenoide superconduttoreè utilizzato per far curvare le particelle cariche per mezzo di un campo magnetico. La curvaturadelle particelle dipende dalla loro velocità e dalla loro massa. Se si conosce la massa dellaparticella, la curvatura permette di determinare l’energia che essa possiede.

5) Sistema di identificazione di muoniIl sistema di identificazione dei muoni è costituito da camere di rivelazione intervallate da lastre diferro magnetizzato, che permettono di creare un campo magnetico in cui i muoni curvano. Dalvalore del campo magnetico e dalla curvatura è possibile risalire all’energia dei muoni. Questosistema è lo strato più esterno dei rivelatori perché i muoni, pur essendo particelle molto simili aglielettroni, a differenza di questi, interagiscono poco con la materia e quindi riescono ad attraversanegrandi strati: è proprio per questa loro caratteristica che riusciamo a riconoscerli.

G: Rivelatore al silicio

Dida 3.1:Il rivelatore di particelle a strip di silicio è stato usato al Cern di Ginevra, dall’esperimento NA50,per studiare le collisioni tra nuclei di piombo. Il nucleo di piombo è il più grande nucleo stabileesistente. Quando un fascio di nuclei di piombo con alta energia colpisce un bersaglio, costituito dauna lamina di piombo, l’energia liberata è così grande che nella piccolissima zona dello scontro, perun tempo brevissimo, si raggiungono temperature 100.000 volte più grandi che nel Sole e vengonoemesse migliaia di particelle.Grazie all’elettronica sofisticata che circonda il rivelatore, il segnale di ognuna delle particelle vieneamplificato e registrato. In questo modo è possibile contare quante particelle vengono generate inogni urto.Gli urti che producono il maggior numero di particelle interessano di più i ricercatori perché ladensità di energia che si ottiene in tali urti, sia pure in una zona piccolissima, è simile a quella che siaveva nell’Universo, pochi milionesimi di secondo dopo il Big Bang.

Dida 3.2:1. Sensore di silicio (formato da 256 microstrisce). È il “cuore” del rivelatore, ogni striscia

(strip) si comporta come un rivelatore indipendente.

2. Microcircuiti elettronici (4 analogici e 4 digitali). Servono a trattare il segnale,trasformandolo da analogico in digitale. Il rivelatore, infatti, produce un segnale di tipoanalogico, cioè un segnale elettrico che cambia nel corso di un certo intervallo di tempo.

3. Cavi di collegamento. Servono a inviare il segnale digitale proveniente dai microcircuitielettronici (punto 2) verso le memorie, nelle quali i dati vengono immagazzinati prima diessere letti dal computer.

4. Cavi di trasmissione dei dati registrati dal rivelatore.

5 Cavo di alimentazione.

Microvertice di Aleph

Dida3:Lo strato più interno di un rivelatore è costituito dal microvertice, chiamato così proprio perché è illivello più vicino al vertice, vale a dire al luogo dove avviene la collisione tra le particelle.Il compito del microvertice, detto anche “tracciatore di vertice”, è misurare le traiettorie delleparticelle con estrema precisione: per sapere dove sono nate è necessario avere dei rivelatorivicinissimi al punto in cui si scontrano. Gli strati che lo circondano, invece, seguono e registrano leparticelle che si allontanano dal punto di collisione.Aleph era un esperimento di fisica delle alte energie (come viene anche chiamata la fisica sub-nucleare) installato al Cern di Ginevra nell’acceleratore Lep, nel quale venivano fatti scontrareelettroni e positroni (identici agli elettroni ma dotati di carica positiva). Lo scopo del rivelatoreinstallato nell’esperimento Aleph era quelli di determinare precisamente l’energia, le traiettorie e lanatura delle particelle create nel collisionatore in seguito agli scontri.Attualmente il Lep non è più in funzione: ha cessato la sua attività assieme ad Aleph nel novembredel 2000. Sullo stesso luogo sta sorgendo Lhc, il più potente acceleratore di particelle mai costruito.

Eventi al Fermilab

Dida 3: Eventi al FermilabNei laboratori del Fermilab, vicino Chicago, i fisici stanno studiando, grazie ai rivelatori CDF e D0,ciò che accade negli scontri tra particelle che avvengono nell’acceleratore Tevatron Collider. Fugrazie a questi rivelatori che tra il 1994 e il 1995 si è riuscito a “vedere” il quark top, l’ultimo deisei quark che restava da scoprire. Ma cosa vedono esattamente i fisici sui loro schermi?

G: L’acceleratore in 3D

Dida:Che cosa accade dentro un acceleratore quando particelle ad altissima energia si scontrano tra loro ocontro un bersaglio? Che cosa nasce dalle collisioni? Il filmato tridimensionale che vedrete è unviaggio alla scoperta di ciò che avviene in queste affascinanti macchine.

G: Uno sguardo nel nucleo(Costruisci un nucleo!)

Oggi, grazie agli sforzi di molti ricercatori e ai risultati di numerosi esperimenti, sappiamo che ilnucleo degli atomi è composto da due tipi di particelle: protoni e neutroni. Queste però non sonoparticelle elementari (come invece ad esempio gli elettroni). Sono, infatti, composte da particellepiù piccole, i quark. In particolare, i protoni sono composti da due “quark up” e da un “quarkdown”, mentre i neutroni sono composti da un “quark up” e da due “quark down”.Ma come fanno i quark a restare uniti all’interno di protoni e neutroni e cosa tiene i protonigli uni vicino agli altri nel nucleo, dato che sono carichi positivamente e che cariche uguali si

respingono? Il “collante” che lega insieme le componenti del nucleo si chiama forza nucleare forte.Dal punto di vista dell’infinitamente piccolo, questa forza è in realtà un continuo scambio fra quarkdi altre particelle chiamate gluoni (dall’inglese glue, colla). Analogamente la forza elettromagneticache tiene gli elettroni vicini al nucleo non è altro che un ininterrotto scambio di fotoni fra elettroni enucleo.

G: Costruisci un nucleo

Dida1: Che cosa voglio capire? Gli “ingredienti” fondamentali per fare un nucleo, sono quark up e quark down, ma poi occorrecombinare in modo opportuno protoni e neutroni (e non tutte le combinazioni sono possibili).Se tu avessi a disposizione gli ingredienti necessari, sapresti “costruirti” il tuo nucleo?Dida2: Che cosa devo fare?Gli “spicchi” rappresentano i quark. I quark up sono di colore nero e i down di colore bianco. Perfare un protone occorrono due quark up e un quark down, per un neutrone un quark up e due quarkdown.Hai a disposizione abbastanza “ingredienti” per costruire i nuclei di atomi di idrogeno, deuterio,trizio, elio 3 ed elio 4. Idrogeno, deuterio e trizio si dicono isotopi perché hanno lo stesso numero diprotoni, ma un numero diverso di neutroni. Anche elio 3 ed elio 4 sono isotopi.Prova le possibili combinazioni. Quanti nuclei riesci a costruire? Quali sono le combinazioni“impossibili”?

Nota bene: i quark sono tenuti insieme all’interno di protoni e neutroni dalla cosiddetta forzanucleare forte, la medesima che tiene insieme anche i protoni e i neutroni. Nel nostro gioco, la forzanucleare forte è stata, solo per comodità, rappresentata in due modi: le piccole calamite sui quark ele barre di collegamento tra protoni e neutroni.

Dida3: Che cosa osservo?I nuclei atomici possibili a partire dagli “ingredienti” a tua disposizione sono i seguenti:

DISEGNO

Manipolando gli “spicchi” per formare prima i protoni e i neutroni e poi i nuclei, ci si accorge checerte combinazioni sono facili da ottenere e che l’oggetto così formato è solido.Le combinazioni che danno il protone (due quark up e un quark down) e il neutrone (un quark up edue quark down), sono le più facili da realizzare. Altre, invece, si ottengono solamente con unaforzatura e la “sfera” che ne deriva è meno solida. Per esempio, la combinazione di tre quark ugualinon è impossibile ma gli “spicchi” non combaciano perfettamente: anche in natura è possibile lacombinazione a tre quark uguali, ma è assai rara e poco stabile.Infine, vi sono combinazioni che sono proprio impossibili da realizzare, ad esempio non è possibileottenere nuclei formati solo da protoni, o solo da neutroni. Anche in natura non si trovano nuclei diquesto tipo.Un nucleo reale ha un diametro dell’ordine di un centomillesimo di miliardesimo di metro (10-14) eil suo elettrone più vicino si trova a una distanza di circa mezzo decimiliardesimo di metro (10-10)da esso. I nostri nuclei hanno un diametro di circa 20 centimetri: fatte le debite proporzioni, dove sitroverebbe il loro elettrone più vicino? A circa 2 chilometri da qui….

Terza Sala (sala blu)

L’Universo (poster introduttivo alla sala)Dallo spazio giungono continuamente innumerevoli messaggi che contengono informazioniimportantissime per conoscere l’Universo, la sua origine e la nostra. Ma sono messaggi che occorresaper interpretare.

La Terra, per esempio, è continuamente bombardata da milioni di particelle: analizzarne lecaratteristiche quali la direzione, l’energia, e la natura, ci fornisce molti indizi sulla loroorigine, ossia sulla loro provenienza e su ciò che le ha generate. Altre informazioni possonoessere ottenute analizzando ciò che accade all’interno delle stelle e cercando di capire qualireazioni vi avvengono: oggi sappiamo che quasi tutte sono reazioni di tipo fusione nucleare.

Studiando i fenomeni che avvengono nell’Universo e cercando di risalire alla loro origine, ciimbattiamo nelle medesime particelle che si producono negli acceleratori usati dai fisici perindagare il cuore degli atomi.Dunque l’infinitamente grande e l’infinitamente piccolo si scoprono avere una natura comune:l’affascinante mondo della fisica nucleare e subnucleare.

G: La struttura dell’universo (poster isolato)

La nostra galassia, la Via Lattea, è solo una delle innumerevoli galassie che ci sono nell’Universo, eil sistema solare si trova a oltre 30.000 anni luce dal suo centro: siamo quindi in una posizioneapparentemente del tutto irrilevante. In realtà, nel cosmo non esistono zone privilegiate rispetto adaltre: non è infatti possibile individuare un suo punto centrale.La teoria del Big Bang ipotizza che l’Universo abbia avuto origine circa 14 miliardi di anni fa.Nel suo primo istante di esistenza sarebbe stato un “punto” più piccolo di un atomo con una densitàquasi infinita. In seguito sarebbe però ”esploso”, divenendo sempre più grande e rarefatto. Al suointerno si sarebbero formate le stelle, i pianeti e tutto ciò che conosciamo.Oggi possiamo ripercorrere il passato dell’Universo in espansione misurando la velocità concui le galassie si allontanano le une dalle altre.Il momento del Big Bang, quando spazio, tempo e materia hanno avuto inizio, è proprio l’istanteche unisce i destini dell’infinitesimo a quelle dell’infinito.

Figura1: Galassie fotografate a grande profondità dal Telescopio Spaziale Hubble (15 Gennaio1995)© Robert Williams and the Hubble Deep Field Team (STScI) and NASA

Figura2:

Big Bang: l’Universo nasce e inizia a espandersi10-43 secondi: La gravità si separa dalle altre forze. Prima le quattro forze fondamentali,gravitazionale, elettromagnetica, debole e nucleare forte, erano unite in un’unica forza.10-35 secondi: L’espansione comincia a rallentare. La forza forte si separa dalle altre forze.10-10 secondi: L’elettromagnetismo e la forza debole si separano in due forze distinte.10-4 secondi: I quark si combinano e generano protoni e neutroni.100 secondi: I protoni e i neutroni si combinano e formano nuclei di elio.300.00 anni: Si formano gli atomi. L’Universo diventa trasparente e si riempie di luce.

1 miliardo di anni: Iniziano a formarsi stelle e galassie.14 miliardi di anni: L’uomo inizia ad interrogarsi sull’origine di tutte le cose

G: Stella

Dida:Questa è una stella … vuoi entrare dentro per vedere com’è fatta e scoprire che cosa avviene al suointerno?Allora cerca l’entrata e presta attenzione a non confonderla con l’uscita!

L: I neutrini (poster isolato)

I neutrini sono le particelle più abbondanti dell’Universo dopo i fotoni (le particelle checompongono la luce). In ogni secondo, solo attraverso la punta di un nostro dito ne passano 60miliardi! I neutrini però attraversano la materia senza lasciare alcuna traccia e ciò avviene perchéinteragiscono pochissimo con le particelle che compongono gli atomi. Infatti, essi sono privi dicarica e dunque non risentono della forza elettromagnetica a cui sono sensibili le particelle cariche.Sono anche insensibili alla forza forte, che tiene legati i quark all’interno del nucleo.Sono tanto sfuggenti che per moltissimo tempo si è pensato che fossero anche privi di massa. Oggiperò sappiamo che i neutrini hanno una massa, ma piccolissima: almeno un milione di volte piùpiccola di quella dell’elettrone.I neutrini tuttavia risentono della forza debole, responsabile della fusione nucleare nelle stelle edella radioattività beta: una caratteristica fondamentale per poterli studiare!Esistono tre diversi tipi di neutrini: di tipo elettrone, di tipo mu e di tipo tau. I neutrini di tipoelettrone, prodotti principalmente dentro le stelle, sono i più diffusi e quelli dotati di più energia.In certe condizioni, i tre diversi tipi di neutrini possono trasformarsi gli uni negli altri: unfenomeno chiamato oscillazione dei neutrini.Ancora oggi molti aspetti di queste elusive particelle restano misteriosi. Scoprirli ci permetterebbedi risolvere alcuni grandi interrogativi sul nostro Universo e sulle particelle che ci compongono.

Figura3: Titolo: “A caccia di neutrini”Interno del rivelatore dell’esperimento Borexino per l'osservazione dei neutrini solari, presso iLaboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Infn.Il rivelatore è costituito da una parte centrale in grado di rivelare i neutrini e circondata da duegusci di liquido usato come schermo per proteggerla da effetti di disturbo. I rari urti dei neutrinicon gli elettroni del materiale nella parte centrale generano piccoli lampi di luce, che possonoessere captati dai sensori.

Box:Figura 4: Titolo: “I padri del neutrino”Fu Wolfang Pauli a prevedere l’esistenza del neutrino, nel 1933. Enrico Fermi chiamò in seguitoquesta nuova particella ‘neutrino’ (cioè “piccolo neutrone”) e ne inquadrò l’esistenza nella nuovateoria della forza debole.

G: La forza debole (poster isolato)

Al centro delle stelle vi sono densità e pressione enormi, tanto grandi che avviene la fusionenucleare, nella quale i nuclei di idrogeno si avvicinano fino a fondersi generando nuclei di elio. Inquesto processo, alcuni protoni si trasformano in neutroni e ciò avviene per effetto di una forza,chiamata forza debole.

Può sembrare strano che si chiami “forza” un qualcosa che apparentemente non “tiene” nulla. Inrealtà, per i fisici esiste una forza ogni volta che esiste un’interazione fra particelle. Dal punto divista dell’infinitamente piccolo quando due particelle interagiscono, vuol dire che si scambianoaltre particelle, chiamate bosoni mediatori.Ad esempio, nel caso della forza elettromagnetica i bosoni mediatori sono i fotoni, quindi a teneregli elettroni “legati” al nucleo è un continuo scambio di fotoni. Nella forza nucleare forte, invece, ibosoni mediatori sono i gluoni, che tengono vicini i quark nel nucleo.Nella forza debole i bosoni mediatori sono chiamati W+, W- e Z0 e sono stati individuati per laprima volta da Carlo Rubbia e Simon Van Der Meer, una scoperta premiata con il Nobel nel 1984.Quindi, alla base della trasformazione di un protone in un neutrone c’è uno scambio di particelleW+, W- e Z0.Ma per effetto della forza debole può anche avvenire l’evento opposto: un neutrone sitrasforma in un protone. È un fenomeno chiamato radioattività beta.

G: La radioattività (Ruota della radioattività)

La radioattività di alcuni materiali è il risultato della trasformazione spontanea (o decadimento) diun nucleo atomico nel nucleo di un elemento differente. I nuclei radioattivi possono decadere intre modi diversi, per effetto di tre diverse forze fondamentali:

1) Radioattività alfa: viene emessa una particella alfa, cioè un nucleo di elio, formato da dueprotoni e due neutroni. Il nucleo di radio, ad esempio, si trasforma spontaneamente nelnucleo di un atomo più leggero, il radon. Avviene per effetto della forza nucleare forte (lamedesima che tiene i quark legati nel nucleo).

Figura : radio radon + nucleo di elio (a)

2) Radioattività beta: vengono emessi una particella beta (semplicemente un elettrone moltoveloce) e un antineutrino (una particella con la stessa massa del neutrino, ma con alcuneproprietà opposte).Questo accade, ad esempio, nel caso del carbonio 14, formato da seiprotoni e otto neutroni: nel trasformarsi in un nucleo di azoto, formato da sette protoni esette neutroni, emette un elettrone e un antineutrino. Avviene per effetto della forza debole(la medesima che è responsabile della fusione nucleare nelle stelle).

Figura : carbonio 14 azoto + elettrone (e-) + antineutrino(

€

ν )

Box: (APPROFONDIMENTO)Nella radioattività beta, un neutrone si trasforma in protone emettendo un elettrone e unantineutrino. Ma da dove provengono queste particelle?L’elettrone e l’antineutrino non esistevano prima del decadimento, sono stati creati al posto dellapiccola quantità di massa che il neutrone ha in più rispetto al protone.

3) Radioattività gamma: viene emesso un raggio gamma, cioè un fotone: un pacchetto dienergia pura e privo di massa. Il decadimento gamma si verifica quasi sempre anche inseguito ad uno dei decadimenti di altro tipo (alfa o beta), e può essere considerato unriassestamento del nucleo dopo l’emissione di una radiazione alfa o beta. Avviene pereffetto della forza elettromagnetica (la medesima che tiene legati gli elettroni al nucleo).

Box: (APPROFONDIMENTO)Alcuni nuclei particolarmente pesanti, come l’uranio 238, decadono formando delle vere e propriecatene di decadimenti successivi, alfa, beta e gamma, per terminare in un nucleo stabile e piùleggero, che nel caso dell’uranio 238 è il piombo 206.

G: Ruota della radioattività

Dida1: Che cosa voglio capire?La radioattività è un fenomeno molto comune: in natura esistono numerosi materiali radioattivi. Nelpassato questi materiali erano utilizzati anche per confezionare oggetti di uso molto comune.Un contatore di radioattività (geiger) è un rivelatore in grado di contare il numero di particelle alfa(nuclei di elio), beta (elettroni veloci) e gamma (fotoni) emesse da un oggetto che contenga anchepiccole quantità di materiale radioattivo.Possiamo misurare la radioattività di alcuni oggetti con il nostro contatore?Dida 2: Che cosa devo fare?Premendo il pulsante verde, la ruota gira a scatti ponendosi in modo tale da portare di volta in voltauno degli oggetti di fronte al contatore di radioattività (geiger).Osserva come cambiano la posizione della lancetta, la luce intermittente del contatore e il suonocorrispondente, ogni volta che si misura la radioattività di un oggetto diverso.Non dimenticare di misurare la radioattività dello spazio vuoto: noterai che anche in questo caso ilcontatore si illumina ed emette un suono ogni tanto.Dida 3: Che cosa osservo?1. Il frammento di roccia è originario della Sardegna e contiene minerali di uranio 238, che decadein piombo 206 creando una catena di decadimenti successivi. Il nostro contatore misura idecadimenti di uno degli elementi prodotti dal decadimento dell’uranio: il radio 226, un elementoinstabile che si trasforma in radon 222, emettendo particelle alfa e fotoni. La radioattività è quindidi tipo alfa e gamma.2. Nel quadrante del vecchio orologio-sveglia le cifre sono scritte con una vernice che contiene,oltre ad un materiale fluorescente, una piccola quantità di materiale radioattivo, il radio 226: sono leradiazioni a fornire l’energia necessaria ad illuminare i numeri. Osserviamo decadimenti di tipo alfae gamma.3. La piastrella contiene ancora una volta il radio 226, il quale proprio grazie alla sua radioattivitàera usato per rendere la colorazione delle ceramiche più “splendente”. La radioattività è ancora ditipo alfa e gamma.4. Le bacchette per saldatura contengono l’isotopo naturale del torio, il torio 232, che decade inpiombo 208 emettendo particelle alfa e fotoni. Osserviamo decadimenti di tipo alfa e gamma.5. Anche le vecchie retine per le lampade a gas contenevano torio naturale ed erano quindiradioattive alfa e gamma. Oggi, per evitare pericoli alla salute, sono realizzate usando materiali nonradioattivi.6. Quando la ruota si ferma in corrispondenza della posizione vuota, il contatore misura laradioattività dell’ambiente, cioè dell’aria. Nell’aria, infatti, è contenuto radon 222, un materialeradioattivo di tipo alfa, che deriva dal decadimento dell’uranio 238.

G: I raggi cosmici (Rivelatore di raggi cosmici)

La Terra è bombardata da tutte le direzioni da particelle che si muovono a velocità vicine a quelladella luce. Fra di esse, vi sono innumerevoli neutrini, ma sul nostro pianeta arrivano anche moltealtre particelle chiamate raggi cosmici primari. Si tratta di particelle cariche, per lo più protoni(circa il 90%) e poi elettroni, nuclei di vari elementi e fotoni. Urtando con l’atmosfera, queste

particelle vanno incontro a una serie di reazioni e finiscono per generare i raggi cosmici secondari:un’invisibile e innocua pioggia cosmica che ci colpisce alla frequenza di circa 4000 particelle alminuto. È il medesimo fenomeno che si cerca di riprodurre negli acceleratori e nei rivelatori diparticelle. Per questa ragione possiamo dire che il cosmo costituisce una sorta di acceleratorenaturale e che l’atmosfera, nel caso dei raggi cosmici, agisce come un rivelatore.Ma da dove vengono con esattezza i raggi cosmici? In realtà non lo sappiamo, perchéla quasi totalità dei raggi cosmici ha una carica elettrica e dunque il loro percorso è deviato daicampi magnetici galattici e dal campo magnetico terrestre. Di conseguenza è molto difficile risalireal punto che li ha originati. Le sorgenti più probabili dei raggi cosmici sono però le stelle e glieventi più catastrofici dell’Universo, come le esplosioni di supernove, e i corpi celesti in generale.

Figura 5: (tre didascalie da distribuire in base alla figura)Al di fuori dell’atmosfera è possibile studiare i raggi cosmici con i satelliti o dalla StazioneSpaziale Internazionale.

A una distanza di circa 40 chilometri dalla terra i raggi cosmici iniziano a scontrarsi con gli atomiche compongono la nostra atmosfera. A causa di queste interazioni, si genera una cascata diparticelle elementari che può essere analizzata da appostiti rivelatori posti in superficie.

I rivelatori posti sotto terra, acqua o ghiaccio, studiano i neutrini assieme ad alcune particellepenetranti prodotte dall’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera e chiamate muoni.

Figura 6:Foto di Magic (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov telescope):un enorme rivelatore diparticelle realizzato nell’ambito di una collaborazione internazionale, con il fondamentalecontributo dell’Infn. Magic consentirà lo studio dei raggi gamma (fotoni molto energetici)provenienti da sorgenti galattiche ed extragalattiche. Si potranno così ottenere informazionidecisive sull’origine e la natura della radiazione cosmica e studiare con precisione tutti icostituenti dell’Universo stesso, inclusi la materia oscura e l'energia oscura.

G: Rivelatore di raggi cosmici

Dida:Come possiamo rivelare la presenza delle particelle prodotte nelle interazioni dei raggi cosmici conl’atmosfera, visto che ciascuno di noi è continuamente attraversato da esse e non ce ne accorgiamo?Serve un rivelatore in grado di “sentire” l’energia che le particelle cedono attraversando la materia.Nel nostro “telescopio per raggi cosmici” l’elemento usato come rivelatore è di materiale plasticocon l’aggiunta di una piccola quantità di sostanza scintillante, tale da trasformare in piccolissimisegnali luminosi l’energia rilasciata dalle particelle. Questi debolissimi ‘lampi’ sono raccolti da unafibra ottica (un cavo di materiale particolare, usato per trasportare la luce senza disperderla) e inviatiad un fotomoltiplicatore, che rivela i singoli fotoni e li traduce in impulsi elettrici. Dopo essere statoamplificato, il segnale elettrico viene utilizzato per accendere le spie luminose (visibili sulla partefrontale del rivelatore), nella posizione corrispondente al passaggio della particella. In questo modo,la serie di spie che si illumina indica proprio la traiettoria della particella che attraversa il rivelatoree ciò avviene circa una volta ogni uno o due secondi.

EUSO: un pioniere per i raggi cosmici (non c’è più)

G: Le onde gravitazionali (poster isolato)

Einstein le immaginò simili alle increspature che si producono sulla superficie di uno stagno dopo il

lancio di una pietra.Le onde gravitazionali sono sostanzialmente analoghe alle onde elettromagnetiche emesse da unaparticella carica in movimento accelerato, ma sono estremamente deboli e per questa ragione finoad oggi non siamo riusciti a captarle. Possiamo però sperare di registrare quelle prodotte dafenomeni cosmici di estrema violenza, come l’esplosione di una supernova, una stella che precipitain un buco nero, o la fusione di due stelle.

Figura 7:Rappresentazione artistica di onde gravitazionali emesse da un sistema di due stelle di neutroni

Le onde (Ondoscopio)

Per comprendere le caratteristiche di un’onda, e quindi della sorgente che l’ha emessa, possiamoosservare come essa viene modificata da un ostacolo o come interagisce con un’altra onda.Quando ad esempio un’onda passa attraverso piccole aperture o quando incontra un ostacolo sul suocammino, la sua direzione di propagazione cambia ed essa si sparpaglia in direzioni diverse.A causa di questo fenomeno, detto diffrazione, possiamo sentire una onda sonora, cioè un suono,emessa da una sorgente posta dietro un angolo. Per lo stesso motivo, il contorno delle ombre non èmai netto. I diversi effetti della diffrazione dipendono dalle caratteristiche dell’onda, in particolaredalla sua ampiezza e dalla sua frequenza (numero di oscillazioni in un secondo). Questi elementi aloro volta sono in buona parte determinati dalla natura della sorgente dell’onda.

Figura 8a: Rappresentazione della diffrazione di un’onda su una superficie d’acqua, dovuta allapresenza di un ostacolo.

Figura 8b:Rappresentazione dell’interferenza tra due onde su una superficie d’acqua

Ondoscopio (non c’è)

G: Antenne risonanti (Antenne risonanti)

Come è possibile mettere in evidenza l’effetto straordinariamente debole di un’onda gravitazionale?Una possibilità è quella di disporre di enormi antenne in grado di ‘sentire’ le piccolissime vibrazionidello spazio prodotte dall’onda.Immaginiamo di avere due grandi masse collegate da una molla. Al passaggio di un’ondagravitazionale, la molla si allunga o si contrae e la distanza tra le masse aumenta odiminuisce: a causa della molla quindi il tutto comincia a oscillare impercettibilmente. Aquesto punto, osservando con un sensore le variazioni nelle oscillazioni è possibile registrare ilpassaggio delle onde. Nella realtà, si utilizzano le antenne risonanti: grandi cilindri di metallo, dioltre due tonnellate, delicatamente sospesi a un filo. Il cilindro di metallo agisce come una campanache viene ‘suonata’ dal passaggio dell’onda gravitazionale e comincia a vibrare. Le vibrazioni sonopoi ‘ascoltate’ da raffinatissimi sensori. Per aumentarne le sensibilità le antenne sono tenute abassissima temperatura: appena un decimo di grado al di sopra della minima temperatura possibile,pari a –273 °C (lo zero assoluto). A queste temperature le molecole che compongono i cilindrimetallici sono quasi ferme, mentre a temperature più alte vibrerebbero naturalmente esovrasterebbero il segnale dell’onda.

Figura 9:

Particolare del rivelatore di onde gravitazionali Nautilus dei Laboratori Nazionali di Frascatidell’Infn. L’antenna è costituita da un cilindro di alluminio di 3 metri, pesante oltre 2 tonnellate,che al passaggio dell’onda gravitazionale subisce piccolissime vibrazioni rivelate da appositisensori.

G: Antenne risonanti

Dida 1: Che cosa voglio capire?Le onde gravitazionali che giungono sulla Terra dilatano e contraggono impercettibilmente glioggetti su di essa. Come possiamo renderci conto di questa debolissima perturbazione provenientedal cosmo?Dida 2: Che cosa devo fare?

1. Usando il piccolo martello fissato a lato del sostegno fai vibrare uno dei cilindri con colpibrevi e decisi esattamente al centro della sua base.

2. Osserva come varia il grafico sullo schermo: l’asse verticale rappresenta l’ampiezza delleoscillazioni che hai provocato nel cilindro (cioè con quanta forza hai colpito), sull’asseorizzontale puoi vederne la frequenza (numero di oscillazioni del cilindro in un secondo).

3. Prova a dare nuovi colpi, cercando ogni volta di colpire il cilindro esattamente al centro eosserva come varia il grafico ogni volta.

4. Prova ora a percuotere il cilindro con una serie di colpi ravvicinati e osserva nuovamente ilgrafico.

Dida 3: Che cosa osservo?Il colpo dato con il martelletto fa vibrare il cilindro proprio come accadrebbe in seguito allacontrazione e dilatazione provocata da un’onda gravitazionale. Mediante un sensore posto sullasuperficie laterale della barra (in basso), l’oscillazione viene poi convertita in un segnale elettrico einviata ad un dispositivo che ne analizza le caratteristiche (ampiezza e frequenza). Il risultatodell’analisi viene infine proiettato sullo schermo.Ad ogni colpo, se ben calibrato al centro della base, si osserva sullo schermo la crescita veloce di unpicco in corrispondenza della frequenza di risonanza, la quale dipende dal materiale di cui ècostituita l’antenna, dalla sua forma e dalle sue dimensioni (gli altri picchi sono dovuti la fatto chenon è facile colpire esattamente al centro). Il picco corrispondente alla frequenza di risonanza (ameno che non si colpisca il cilindro sul lato, invece che alla base) è sempre quello con l’ampiezzamaggiore ed è l’unico che sopravvive se invece di un solo colpo si percuote il cilindro con una seriedi colpi ravvicinati.In una antenna risonante costruita per captare onde gravitazionali, un precisissimo sensore e uncomputer permettono di registrare e misurare l’ampiezza e la frequenza delle oscillazionidell’antenna, per poi risalire a quelle dell’onda gravitazionale.

G: Virgo (Modello di Virgo e filmato su Virgo al computer)

Gli strumenti più all’avanguardia per rivelare le debolissime onde gravitazionali sono i cosiddettiinterferometri. Virgo, situato a Cascina, presso Pisa, è un interferometro italo-franceseparticolarmente avanzato.Il sistema di misura di Virgo si basa sull’utilizzo di un fascio laser che viene suddiviso da unospecchio "divisore di fascio" in due fasci identici perpendicolari tra loro. Ognuno di essi entra inuna cavità ottica risonante (cavità Fabry-Perot) composta da altri due specchi, uno vicino e ilsecondo posto a tre chilometri di distanza.Gli specchi hanno la caratteristica di possedere un’eccezionale levigatezza (la loro "rugosità" è di

appena qualche milionesimo di millimetro, pari cioè allo spessore di qualche decina di atomi).

Figura 10: Vista esterna dell’apparato sperimentale Virgo

Figura 11: Schema dell’inteferometro Virgo

LaserSorgente da cui parte la luce che verrà suddivisa in due fasci, inviati poi all’interno dei bracci dovesi trova il vuoto ultraspinto.

Sospensioni antisismicheOgni specchio di Virgo è sospeso a un sistema di isolamento sismico di sofisticata tecnologiacontenuto in una torre da vuoto.Per poter captare un’onda gravitazionale è infatti indispensabile un perfetto isolamento dallevibrazioni provenienti dall’ambiente esterno, le quali potrebbero mascherare il passaggio dell’onda.Per raggiungere questo scopo sono state messe a punto avanzatissime apparecchiature meccanichecostituite da una catena di filtri sismici, i quali compongono una sorta di pendolo, equipaggiati conmolle a balestra triangolari. Le molle provvedono all’isolamento nella direzione verticale, mentre ilpendolo assicura l’isolamento nella direzione orizzontale. Data la sua incredibile sensibilità allevibrazioni, Virgo potrebbe fornire dati estremamente interessanti anche sui movimenti di massesituate nel cuore della Terra: informazioni che potrebbero rivelarsi utili nello studio dei terremoti.

Divisore di fascioHa la funzione di dividere in due parti uguali il fascio laser.

FotodiodiRivelano la luce laser e l’interferenza prodotta dalla sovrapposizione delle due parti del fascio.

Cavità ottica risonanteAll’interno di ciascuna cavità ottica ogni fotone subisce in media 50 riflessioni prima di uscirne perritornare verso lo specchio divisore di fascio. Su questo specchio i fasci vengono poi ricombinati eun fotodiodo misura l’interferenza fra di essi.Se un’onda gravitazionale investe le cavità ottiche, la distanza tra gli specchi varia e l’interferenzadei due fasci ne viene perturbata. Dalla variazione dell’interferenza è quindi possibile rivelare ilsegnale prodotto,da un’onda gravitazionale.

SpecchioIl fascio laser entrano attraverso questo specchio nella cavità Fabry-Perot.

Box: (APPROFONDIMENTO)Virgo, che dispone di tecnologie estremamente sofisticate è frutto di oltre dieci anni dicollaborazione tra l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) e il Centro Nazionale per leRicerche Scientifiche (Cnrs) francese. Il progetto opera nell’ambito del consorzio Ego (EuropeanGravitational Observatory) appositamente costituito da Infn e Cnrs.

G: Modello di Virgo

Dida 1: Che cosa voglio capire?Due o più oggetti investiti da un’onda gravitazionale subiscono impercettibili spostamenti relativi,come se fossero spinti da mani invisibili. Tali spostamenti possono essere, al massimo, di un

miliardesimo di milionesimo di millimetro (0,000000000000001 mm). Come possiamo mettere inevidenza cambiamenti tanto piccoli?Dida 2: Che cosa devo fare?

1. Batti con un dito sul piano dell’interferometro, variando anche l’intensità dei colpi.Le vibrazioni (come le onde gravitazionali) fanno oscillare gli specchi provocandopiccolissimi spostamenti sufficienti a far variare l’alternanza di righe luminose e righescure (frange d’interferenza) sullo schermo all’uscita dall’interferometro e sul televisore.

2.Ora prova a variare la quantità d’aria presente in uno dei bracci dell’interferometro.Agisci sulla pompetta di gomma, per aumentare la pressione dell’aria, quindi svita con duedita la valvolina di sfogo, per tornare alla pressione ambiente.Osserva nuovamente come varia l’alternanza delle frange d’interferenza al variare dellapressione dell’aria, questa volta senza far vibrare il piano dell’interferometro.

Dida 3: Che cosa osservo?Possiamo provare ad osservare come varia la luce riflessa da due specchi che siano stati spostati,anche di pochissimo, dal passaggio di un’onda gravitazionale.Uno strumento adatto a “catturare” le onde gravitazionali è l’interferometro.

In questo modello di interferometro, un fascio di luce colpisce uno specchio semitrasparente e vienesuddiviso in due parti uguali: una è riflessa ad angolo retto e l’altra lo attraversa. I due fasci sonopoi rimandati tramite due specchi verso il medesimo specchio semitrasparente, che li suddividenuovamente. Alla fine la luce che raggiunge lo schermo contiene, sovrapposti, i due fasci di luceprovenienti da entrambi i bracci. Ciò che si vede è la loro interferenza, cioè il grado disovrapposizione delle loro lunghezze d’onda. Questo processo è analogo a quello che avviene neigrandi interferometri.Come avviene nel nostro modello, anche nei grandi interferometri la posizione delle righe diinterferenza può cambiare per le vibrazioni o per variazioni di pressione dell’aria. Questi effettiovviamente maschererebbero il debolissimo segnale prodotto da un’onda gravitazionale. Per evitarequesto disturbo, in Virgo e negli altri analoghi apparati si ricorre a sofisticate soluzionitecnologiche.

Filmato su Virgo al computer (non prevede didascalia)

G: La gravità (poster isolato)

La gravità è senza dubbio la forza che ci è più familiare. Infatti essa è la forza universale che spiegail moto di caduta di una mela, l’orbita della Luna, e quella della Terra intorno al Sole. A causa dellagravità, tutti gli oggetti risentono di un’attrazione reciproca dovuta alla loro massa: quanto piùgrande è la massa degli oggetti coinvolti, e quanto più sono vicini, tanto più è grande l’effetto dellaloro attrazione.In realtà però la gravità è una forza straordinariamente debole se la confrontiamo con le altre forzefondamentali (elettromagnetica, debole e nucleare forte). Ad esempio, se confrontiamo l’attrazionegravitazionale tra due protoni (che hanno masse piccolissime) con la repulsione elettrica tra essi (iprotoni hanno carica positiva e cariche uguali si respingono), scopriamo che la forza di gravità èdiecimila miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di volte più piccola della forzaelettromagnetica, piccola cioè quanto un numero preceduto da 40 zeri. È chiaro dunque chenell’interazione fra due protoni la gravità gioca un ruolo assolutamente secondario, perché i suoieffetti sono irrisori rispetto a quelli della forza elettromagnetica. Tuttavia, la gravità è l’effettodominante ad esempio tra la Terra e il Sole, perché entrambi hanno in media al loro interno lostesso numero di cariche positive e di cariche negative e quindi sono corpi entrambi

complessivamente neutri che non risentono della forza elettromagnetica.

Figura 12: Il sistema Terra-Luna visto da un punto vicino alla superficie lunare. La forza digravità spiega l’orbita della Luna, così come la caduta di un qualsiasi oggetto sulla Terra.

G: Lo spazio-tempo (Il telo dello spazio-tempo)

Secondo la teoria della relatività generale di Albert Einstein, l’Universo, può essere rappresentatocome un tessuto in cui lo spazio e il tempo sono fittamente intrecciati (come fibre diverse in unastessa stoffa) e variano l’uno in relazione all’altro. Da questa nuova fisica, valida sia nelmacrocosmo delle stelle e dei pianeti sia nel microcosmo delle particelle elementari, nasce ilconcetto di spazio-tempo. Secondo quest’ultimo, ogni massa produce una curvatura dello spazio-tempo. In altre parole, possiamo pensare che il cosmo assomigli a una tela elastica su cui poggiano,come bocce, le masse (ad esempio i corpi celesti). Ogni corpo incurva la tela costituita dallospazio-tempo tanto più quanto più è pesante. Anche le particelle incurvano lo spazio-tempo, mapochissimo perché sono molto “leggere”. Di conseguenza le particelle tendono a muoversi,“rotolando” come farebbero appunto delle piccole biglie su un telo elastico incurvato qua e là.Questo movimento porta le particelle verso i corpi di massa maggiore, proprio come le biglie sidirigerebbero verso le affossature. Ogni particella si muove lungo una traiettoria determinatadalla geometria dello spazio-tempo curvo (la ‘geodetica’, cioè la curva più breve tra due punti).La luce stessa viene deviata quando passano accanto ai corpi celesti (dando vita al fenomenodetto delle lenti gravitazionali), fino a essere totalmente risucchiata quando passa vicino a un buconero, poiché quest’ultimo è sempre dotato di una massa enorme.

Figura 13: (Rappresentazione dello spazio-tempo).

La forza di gravità secondo Einstein non è altro che una deformazione spazio-temporale. Ognicorpo celeste può essere paragonato ad una pallina appoggiata su un lenzuolo. Maggiore è il pesoe la densità della stessa, maggiore è la deformazione che essa provoca nello spazio circostante.

Figura 14:Abell 2218 è un ammasso di galassie molto grande che offre un esempio spettacolare dell'effettolente gravitazionale. Le numerose strutture ad arco sono le immagini distorte, prodotte dalla lente,di galassie da 5 a 10 volte più lontane, che stanno dietro l'ammasso sulla linea di vista.© Hubble Space Telescope, 1995

Il telo dello spazio-tempo

Dida 1: Che cosa voglio capire?Come fanno gli oggetti di grande massa a deformare lo spazio-tempo? E cosa accade se un oggettodi dimensioni minori si trova là dove lo spazio-tempo è deformato da un corpo di grande massa?Dida 2: Che cosa devo fare?

1. Esperienza 1: Poni la sfera più grande da sola al centro del telo e osserva la deformazionecorrispondente.Ora prova lanciare la sfera più piccola in modo da farla passare vicino alla sfera più grande,ma senza colpirla. Osserva come la massa piccola viene influenzata dalla presenza dellamassa più grande.

2. Esperienza 2: Poni una delle masse con il gancio nel centro. Osserverai che la deformazionedel telo è molto più accentuata rispetto al caso precedente. Se adesso lanci una la sfera più

piccola in modo da farla passare vicino alla massa centrale, ti accorgerai che non è piùpossibile evitare lo scontro. Prova anche con la sfera più grande.

3. Esperienza 3: Poni le masse con l’uncino lungo l’asse più lungo dell’ovale, ad una certadistanza. Prova a fare in modo che la sfera più piccola orbiti intorno ad entrambe le masse(cambia la distanza tra le due masse, se necessario). Osserverai che ad un certo punto siprodurranno orbite a forma di otto.

Dida 3: Che cosa osservo?Il telo ovale si deforma più o meno a seconda del peso degli oggetti che vi si posano sopra, un po’come lo spazio-tempo si deforma più o meno a seconda della massa dei corpi che vi sono immersi.

1. Esperienza 1: Due masse deformano un”telo” spazio-tempo in un modo che influisce sulmoto e sulla posizione di entrambi i corpi: la sfera più piccola è fortemente deviata versoquella grande la sfera piccola è fortemente deviata verso quella grande e questa, a sua volta,risente della presenza della piccola, senza subire però sensibili spostamenti.

2. Esperienza 2: Se al centro del telo ho un corpo di massa molto grande, qualsiasi altrooggetto ne viene attratto, fino a venirne risucchiato. E’ quanto accade in presenza di un buconero, un corpo così massiccio da non lasciare più sfuggire nemmeno la luce.

3. Esperienza 3: Se lo spazio tempo è deformato dalla presenza di due masse molto pesanti,poste ai fuochi di un’ellisse, un terzo corpo più leggero risente dell’attrazione di entrambe lemasse e può trovarsi a percorrere un’ orbita a forma di otto intorno ai due corpi.

Vita e morte di una stella (poster isolato)

La durata della vita di una stella dipende soprattutto dalla sua massa: una stella con una massa centovolte più piccola della massa del Sole, ad esempio, può vivere anche 100 miliardi di anni prima di‘spegnersi’; se la massa è cento volte quella del Sole, invece, la stella è così instabile che è destinataa esplodere in breve tempo.La massa di una stella dipende dalla quantità di materia che la compone, mentre il suo raggiodipende da due forze che si fanno concorrenza: la forza gravitazionale che tende a comprimere lastella e l’energia nucleare prodotta al centro, che tende a farla espandere. Il raggio che ne risulta èproprio la distanza dal centro in cui queste due forze sono in equilibrio. Appena la stella esaurisce ilcarburante nucleare, la forza gravitazionale prevale e fa "restringere" la stella. Se la massa èsufficientemente grande, la forza gravitazionale crea una tale pressione nel cuore della stella dainnescare reazioni nucleari di altro tipo. I cicli di collasso e di innesco di reazioni nuclei procedonofino a che tutte la particelle della stella si trasformano in neutroni e la stella diventa una "stella dineutroni".Il collasso gravitazionale che genera una stella di neutroni è un processo estremamente violento,durante il quale vengono liberate energie enormi. Eppure la formazione di una stella di neutroni nonè la situazione più estrema che si può produrre alla morte di una stella. Se la massa supera un certolimite, infatti, la stella di neutroni diventa nuovamente instabile e il collasso prosegue fino alle sueestreme conseguenze: il raggiungimento di una densità teoricamente infinita che deformaall’infinito anche lo spazio-tempo creando un buco nero.

G: Cubo rotante: Quattro poster su un cubo

1: LE SUPERNOVAE

Dalla Terra a volte si può assistere a un fenomeno davvero spettacolare: l’esplosione di unasupernova. Ma occorre aver fortuna, perché possono passare anche secoli senza che dal nostropianeta sia visibile un evento del genere e non è possibile prevederlo in alcun modo.

Le supernovae sono stelle di grande massa le quali terminano la loro vita in una gigantescaesplosione, divenendo per breve tempo anche un miliardo di volte più luminose del Sole etrasformandosi infine in ‘stelle di neutroni’.Ma perché avvengono questi strabilianti fenomeni?Durante la sua vita, una stella di grande massa produce per fusione nucleare elementi sempre piùpesanti, prima fondendo nuclei di idrogeno in elio e poi via via fino a generare nuclei di ferro. Neltempo, si forma al centro della stella un vero e proprio nucleo ferroso circondato da strati di altrielementi. Quando questo nucleo di ferro è sufficientemente grande, non riesce più a sostenere ilproprio peso e inizia ad addensarsi verso il centro, divenendo sempre più concentrato. Un simile“collasso”, però non può proseguire all’infinito e si arresta violentemente quando la densità alcentro della stella supera la densità di un nucleo atomico. Allora, la materia circostante rimbalzacontro il nucleo compatto e si genera un’onda d’urto che la disperde verso l’esterno: è l’esplosionedella supernova. Questi eventi catastrofici sono fondamentali per l’evoluzione dell’Universo e perla nostra stessa vita. L’esplosione di una supernova, infatti, immette nello spazio interstellare tuttigli elementi fondamentali alla vita, che sono stati prodotti nei processi di fusione nucleare dellastella. Il materiale espulso si può poi condensare nuovamente per formare altre stelle, pianeti e ciòche esiste sui pianeti. In realtà quindi anche noi siamo ‘polvere di stelle’, in quanto la materia deinostri stessi corpi ha avuto origine in questi processi.

2. PANNELLO FOTO: Resti di una supernova

Didascalia:Nebulosa ‘Pencil’ nella costellazione Vela: resti di una SuperNova esplosa migliaia di anni fa(Telescopio Spaziale Hubble).

© NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)Ringraziamenti: W. Blair (JHU) and D. Malin (David Malin Images)

3. I BUCHI NERI

Tra gli oggetti più affascinanti e misteriosi del cosmo ci sono sicuramente i buchi neri. Sono anchegli oggetti più compatti dell’Universo, tanto densi da esercitare una forza di gravità enorme erisucchiare tutto ciò che si trova nelle immediate vicinanze. Ad una certa distanza dal centro di unbuco nero esiste una superficie di confine che delimita una regione dello spazio dalla quale nullapuò uscire: anche la luce al di là di essa viene risucchiata come qualsiasi altra cosa. Questasuperficie di confine è l’orizzonte degli eventi: il limite oltre il quale la materia del buco nerodiviene assolutamente invisibile. Tuttavia, alcuni buchi neri sono probabilmente gli oggetti piùluminosi dell’Universo. Proprio a causa della forte attrazione gravitazionale, infatti, sui buchi nericade materiale sotto forma di gas interstellare a velocità elevatissime. Nell’impatto questo materialesi scalda e raggiunge temperature molto alte, emettendo sotto forma di luce l’energia accumulata.Solo quando la materia raggiunge l’orizzonte diviene invisibile.È probabile che molte galassie, forse tutte, abbiano al centro un buco nero gigantesco con unamassa di milioni, o addirittura miliardi di volte quella del Sole.L’esistenza dei buchi neri è prevista dalla teoria della relatività generale di Einstein, ma rappresentaancora un grande mistero per i fisici. In base alla teoria della relatività, infatti, la forza di gravitàincurva lo spazio-tempo in misura tanto maggiore quanto più è grande la massa che l’ha originata;data l’enorme densità della sua massa, un buco nero dovrebbe dunque creare una curvatura infinita,e in prossimità della superficie degli eventi il tempo dovrebbe addirittura arrestarsi.

Figura 16: La teoria della relatività generale comporta dei casi limite. Nella figura èrappresentata la deformazione dello spazio-tempo provocata da un corpo molto denso come unastella di neutroni. Come conseguenza, Einstein ipotizzò il caso-limite del buco nero: sotto l’effettodella gravità, le pareti dell’affossatura tendono a diventare parallele e neanche la luce può piùsfuggire ad una simile deformazione dello spazio-tempo.

Figura 17: Bolle generate nell’impatto di gas interstellare con un buco nero supermassicciosituato al centro della galassia NGC 4438 dell’ammasso Virgo, a 50 milioni di anni luce dallaTerra (Telescopio Spaziale Hubble)© NASA and Jeffrey Kenney and Elizabeth Yale (Yale university)

4. PANNELLO FOTO: Buco neroA soli 10 milioni di anni luce dalla Terra, un buco nero estremamente massiccio nascosto al centrodella galassia Alfa Centauri sta inglobando parte di una galassia più piccola in una collisionespettacolare.Tali eventi erano usuali nell’Universo primordiale, quando le galassie si sono formate e sonoevolute, ma oggi sono molto rari.

© NOAO, E.J. Schreier (STScI) and NASA(E.J. Schreier, A. Marconi, D. Axon, N. Caon, and D. Macchetto (STScI))

G. L’energia e la materia oscura (Cubo della materia oscura)

Oggi pensiamo che l’Universo si stia espandendo a una velocità che dipende dalla massacomplessiva della materia di cui è costituito, oltre che dall’impulso che ha ricevuto al momento delBig Bang. La gravità, infatti, tende a mantenere i corpi gli uni vicini agli altri e quindi a rallentarel’espansione. Misurando la velocità con cui le galassie si allontanano è dunque possibile capirequanta materia è presente nell’intero Universo.In realtà, si è scoperto che solo una piccola parte (circa il 5%) della massa dell’Universo ècostituita dalla materia che conosciamo (composta da protoni, neutroni ed elettroni), la stessache compone i nostri corpi, la Terra, il Sole e le altre stelle. Il 25% è fatto di particelle conproprietà molto differenti dalla materia ordinaria, che interagiscono solo molto debolmentetra loro e con la materia conosciuta. Questa forma di materia non è aggregata in stelle e nongenera luce, ed è quindi chiamata materia oscura.Vi sono varie ipotesi, alcune molto fantasiose e affascinanti, per spiegare la natura della materiaoscura: sarebbe concentrata in buchi neri, formata da particelle ancora sconosciute oppure ancora daneutrini. Infatti, non conosciamo con esattezza la massa di questi ultimi, ma dato che i neutrinipresenti nell’Universo sono un numero immenso basterebbe che la massa di alcuni tipi di neutrinifosse almeno un trentesimo di millesimo di quella dell’elettrone perché essi possano determinarel’evoluzione dell’Universo.Il restante 70% della massa dell’Universo è nella forma di una sostanza invisibile e omogeneache viene chiamata energia oscura. Comprendere la natura dell’energia oscura è uno dei problemipiù profondi della fisica contemporanea. Infatti, come un oggetto lanciato verso l’alto inizialmentediminuisce la sua velocità, così ci si aspetta che l’espansione dell’Universo debba rallentare. Unascoperta recente e sorprendente è però che l’espansione dell’Universo sta accelerando. Com’èpossibile? Si ritiene che una possibile spiegazione risieda proprio nell’esistenza dell’energia oscura.

G: Cubo della materia oscura

Dida 3:Questo cubo rappresenta tutto il nostro Universo.Sappiamo che soltanto una piccola parte di esso è composto dalla materia a noi più familiare, quellafatta di protoni, neutroni (a loro volta composti da quark) e da elettroni. Si tratta appena del 5% ditutto ciò che esiste nell’Universo. Fatte le debite proporzioni, se il nostro Universo fosse grandequanto questo cubo, la piccola parte di materia “ordinaria” sarebbe solo il cubo rosso che potetesfilare.E il resto?Si calcola che il 70% dell’Universo sia costituito da una misteriosa “energia oscura”, una sostanzainvisibile e omogenea, che nel modello corrisponde alla parte colorata in grigio. Proprio in questagigantesca porzione del cosmo potrebbe risiedere la spiegazione del fatto che l’Universo si staespandendo.L’ultimo 25% sarebbe invece formato da materia oscura, cioè da particelle molto diverse dallamateria ordinaria, non aggregate in corpi celesti, e in parte ancora sconosciute. Nel nostro modellocorrisponde alla parte colorata in nero.

G: Quattro poster isolati sul modello standard:

1. Il modello standard

Il Modello Standard della fisica delle particelle è la teoria che oggi meglio spiega l’Universo apartire dai suoi componenti di base, le particelle elementari. Una particella elementare è unaporzione di materia non divisibile in particelle più piccole.Ma quali sono le particelle elementari? All’inizio del ’900 si credeva che l’atomo stesso fosseindivisibile. Poi si è visto che è invece composto di elettroni, protoni e neutroni e alla fine i fisicihanno dimostrato che anche queste ultime due particelle non sono elementari ma costituite da altrepiù piccole: i quark. Prima degli anni ’60 si riteneva che nell’Universo esistessero decine diparticelle elementari diverse, ma negli anni successivi si è scoperto che tutto ciò che esiste e che èesistito dal momento del Big Bang è composto da appena 12 tipi di particelle diverse. Il ModelloStandard prevede anche che per ogni particella esista una corrispondente antiparticella, identica allaprima ma dotata di carica opposta (ad esempio agli elettroni negativi corrispondono i positroni,positivi). Oggi nell’Universo che conosciamo non vi sono quantità rilevanti di antimateria, ma sipensa che al momento del Big Bang materia e antimateria si siano formate in quantità uguali. Quasiimmediatamente però i due opposti tipi di particelle avrebbero cominciato ad annichilirsi,trasformandosi in energia. Da questo processo, però, sarebbe avanzata misteriosamente un po’dimateria, quanto basta per creare galassie stelle, pianeti e noi stessi. Oggi abbiamo buoni indizi sucome la materia sia riuscita a prevalere sull’antimateria, ciò nonostante questo fenomeno resta unodegli interrogativi più affascinanti della fisica contemporanea.Il Modello Standard descrive anche tre delle quattro forze fondamentali della natura, quelle checausano l’attrazione o la repulsione fra particelle: la forza elettromagnetica, la forza nucleare forte ela forza debole. Il modello però non riesce ad includere la quarta forza, la forza di gravità, e questoè uno dei suoi maggiori punti deboli: i fisici sanno che questa teoria non è definitiva, ma solo unatransizione verso un’altra più generale, che spiegherà veramente l’Universo a partire dai suoi piùpiccoli mattoni e delle loro interazioni.

2. Le particelle elementari

Secondo il modello standard, la materia è formata da due tipi di particelle elementari: i leptoni

e i quark. Queste particelle, allo stato attuale della conoscenza, sono entità indivisibili e noncostituite dall’unione di altre componenti.Esistono sei tipi di leptoni e sei tipi di quark: sia i leptoni che i quark sono raggruppati in trefamiglie, costituite ognuna da due leptoni e due quark.

Figura 19: (classificazione delle particelle elementari)

3. Le forze fondamentali

Le interazioni tra le particelle che costituiscono la materia, ad esempio la loro reciproca attrazione erepulsione, sono regolate da quattro forze fondamentali. Nel Modello Standard le interazioni fra icostituenti della materia sono descritte come scambio di altre speciali particelle, chiamate “bosonimediatori” (o particelle di forza, per distinguerle dai leptoni e dai quark, che sono particelle dimateria).

• L'interazione nucleare forte tiene insieme i quark all'interno di protoni e neutroni, e iprotoni e i neutroni stessi all'interno del nucleo.Avviene attraverso lo scambio di bosoni detti “gluoni”.

• L'interazione debole è responsabile di alcuni decadimenti radioattivi ed è coinvolta neiprocessi di combustione che fanno brillare le stelle, compreso il Sole. Avviene attraversolo scambio di bosoni detti «W» e «Z».

• L'interazione elettromagnetica tiene gli elettroni legati al nucleo dell'atomo ed èresponsabile dei fenomeni elettrici e magnetici.Avviene attraverso lo scambio di bosoni, detti “fotoni”.

• L'interazione gravitazionale fa ruotare i pianeti attorno al Sole e ci tiene «legati» aterra. Tutti gli oggetti e le particelle con massa interagiscono attraverso la forzagravitazionale. Si pensa che avvenga attraverso lo scambio di bosoni detti «gravitoni»,ma questi ultimi non sono ancora stati osservati.

Figura 20: (Classificazione forze)

4. Il futuro

Nonostante sia la teoria oggi più accreditata per spiegare l’Universo a partire dai suoi componenti ele loro interazioni, il Modello Standard lascia aperti affascinanti interrogativi. Ad esempio secondoquesta teoria, la massa sarebbe una caratteristica che le particelle acquisiscono interagendocon un campo, chiamato di Higgs, che permea tutto l’Universo. Se ciò è vero, dovrebbe esserepossibile osservare la particella associata a questo campo: il bosone di Higgs. Fino ad oggi però ifisici non sono mai riusciti ad individuare direttamente quest’ultima particella, perché occorrerebbeprodurla in un acceleratore in grado di generare energie elevatissime. Il grande acceleratore Lhc, incostruzione presso il Cern di Ginevra, potrebbe essere finalmente lo strumento adatto per produrre e‘catturare’ l’inafferrabile bosone. Grazie ad Lhc, i ricercatori vorrebbero inoltre verificare se iquark sono davvero particelle elementari, e non composti di altre particelle. Ma la speranza piùgrande è che Lhc possa mettere i fisici teorici sulla giusta strada per sviluppare una teoriadell’universo che spieghi davvero “tutto”, ovvero comprenda la gravità: una forza che non rientranell’architettura del Modello Standard.Qualche idea su cosa cercare c’è già. La teoria della Supersimmetria prevede, per esempio,

l’esistenza di una particella “supersimmetrica’’ per ogni particella del Modello Standard. La teoriadelle Stringhe ipotizza al posto di particelle elementari puntiformi l’esistenza di oggettibidimensionali, le stringhe appunto, che vibrando descriverebbero i diversi tipi di particelle. Questateoria richiede però anche che l’Universo abbia10 dimensioni, incluso il tempo, di cui 6 così piccoleda non essere evidenti. Non resta che trovarle ed Lhc entrerà in funzione a partire dal 2007.

Figura 21: Simulazione del decadimento di una particella di Higgs in quattro muoni

Quarta Sala (sala verde)

Non solo fisica… (poster introduttivo della sala)

La spinta principale ad indagare i misteri del cosmo e i segreti degli atomi, viene dal desiderio dirispondere a grandi domande che l’umanità si pone da sempre. Queste ricerche però hanno moltericadute nella vita di tutti i giorni: i grandi avanzamenti tecnologici infatti di solito non nascono daricerche mirate, ma derivano da idee originali che si formano inaspettatamente, come conseguenzadi risultati ottenuti in studi apparentemente astratti. Basti pensare all’elettricità, scoperta studiandofenomeni sconosciuti e non tentando di migliorare i sistemi di illuminazione esistenti!Gli strumenti della fisica nucleare e subnucleare in particolare si rivelano estremamente utiliin campi quali la medicina e la conservazione dei beni artistici.Lo stesso web è nato per rispondere a necessità create dalla ricerca in fisica delle particelle e oggi,per esigenze simili, si stanno sviluppando nuove reti telematiche dalle potenzialità straordinarie.

La fisica nucleare nei beni culturali (Pixe-Alfa)

Le scoperte nel campo della fisica nucleare possono dare un contributo significativo allaconoscenza e alla tutela dei beni artistici: un settore importantissimo nel nostro Paese. L’Infn, inparticolare, ha assunto una posizione di rilievo nello sviluppo e nell’utilizzo di tecniche nondistruttive per lo studio e la salvaguardia delle opere d’arte.

Sono due le tecniche sviluppate dall’Infn che permettono di ricostruire la composizione di un’operad’arte: la Ion Beam Analysis (Iba) e la Pixe-Alfa. Entrambe consentono di stabilire lacomposizione di un oggetto senza danneggiarlo.

Conoscere la composizione di un’opera è utile per molte ragioni. Gli storici ad esempio possonotrarne informazioni per ricostruire le reti commerciali dell’antichità, mentre la presenza di unmateriale anomalo in un pigmento può voler dire che l’attribuzione di un dipinto è errata o chel’opera è falsa. Nel campo del restauro, inoltre, è fondamentale conoscere tutte le caratteristiche delmateriale su cui si opera.

Box (Approfondimento):Le tecniche Iba (Ion Beam Analysis) si basano sull’utilizzo di fasci di ioni, solitamente protoni(ossia ioni di idrogeno), generati da un acceleratore di particelle e quindi inviati sull’opera d’arteche si vuole analizzare. Gli atomi del campione che vengono colpiti emettono radiazioni che hannoun’energia caratteristica, diversa da elemento ad elemento. Un rivelatore, misurando l’energiaemessa, può quindi identificare il tipo di atomi presenti, permettendo di risalire alla composizionedell’oggetto.Una ricerca condotta nella sezione di Firenze dell’Infn ha, ad esempio, applicato le tecniche Iba percontribuire alla datazione degli appunti di Galileo conservati nella Biblioteca Nazionale di Firenze.

La loro datazione è di particolare interesse per capire come Galileo sia giunto nel corso degli annialle sue conclusioni sul moto dei gravi.

Figure: “Una miniatura da analizzare con le tecniche Iba” “L’apparato Pixe-Alfa”

Pixe-Alfa

Dida1:Cosa voglio capire?I vasi nella foto sembrerebbero entrambi vasi “attici” del V sec. a.C…. Come facciamo a scoprire sesono autentici o no? Grazie alla tecnica del Pixe-Alfa si può avere una risposta…

Dida2: Cosa devo fare?I ricercatori usano uno spettrometro (di nome “Pixe-Alfa”) identico a quello esposto. Per analizzarei vasi delle foto, lo posizionerebbero sulla vernice nera dei vasi. Fallo anche tu e guarda cosavedrebbero sul computer collegato allo spettrometro …

Dida3: Che cosa osservo?Lo strumento qui esposto, del tutto simile a quello vero, è l’unico al mondo che adopera la tecnica“Pixe-Alfa” (Alfa-Particle Induced X-ray Emission). Si tratta fondamentalmente di una sorgenteradioattiva che emette particelle alfa, cioè nuclei di elio. Analogamente a quanto accade con letecniche Iba, gli atomi del campione che vengono colpiti dalle particelle alfa emettono radiazioni(raggi X) che hanno un’energia caratteristica, diversa da elemento ad elemento. Un rivelatoreall’interno dello strumento, misurando l’energia emessa, può quindi identificare il tipo di atomipresenti, permettendo di risalire alla composizione dell’oggetto.L’analisi Pixe viene eseguita con strumenti portatili: un grande vantaggio rispetto alle tecniche Ibale quali richiedono invece grandi acceleratori.La tecnica Pixe-Alfa viene applicata presso i Laboratori Nazionali del Sud, a Catania. Lostrumento è stato brevettato dall’Infn in collaborazione con il Cea (l’ente francese per l’energianucleare).

Quanti anni ha? (Datazioni)

Presso la sezione Infn di Firenze è in fase di allestimento il Laboratorio di Tecniche Nucleariapplicate ai beni culturali, il cui acceleratore consentirà di applicare oltre alle tecniche Iba anche laAccelerator Mass Spectrometry (Ams): una tecnica che permette fra l’altro di effettuare ladatazione con il carbonio-14 di un reperto utilizzando quantità irrisorie di campione.

Il carbonio-14 è un elemento radioattivo e si forma nell’atmosfera quando l’azoto viene a contattocon neutroni che fanno parte della radiazione cosmica. In natura si trova un po’ ovunque, anche sein piccolissima quantità. Gli esseri viventi lo assimilano per tutta la loro esistenza, direttamentedall’aria se sono vegetali o dal cibo se sono animali. Quando sono in vita, nei loro corpi si trovanoalcuni miliardesimi di grammo di carbonio 14. Alla morte l’assimilazione di carbonio cessa, maquello accumulato rimane nei resti dell’organismo. Come tutti i materiali radioattivi però il carbonio14 con il tempo decade, cioè si trasforma con un ritmo costante (in questo caso dando origine adell’azoto).Sapendo che una quantità di carbonio-14, decadendo, si riduce alla metà in circa 5730 anni, iricercatori riescono a calcolare la data del reperto in questione (purché la sua età non superi i50.000 anni). Questo metodo può essere applicato a tutti reperti contenenti carbonio come ossa,resti di focolari, frammenti di legno, tessuti e così via.

Con i metodi tradizionali per ottenere valori apprezzabili del carbonio-14, occorre distruggerequantità del materiale in esame che, per reperti molto preziosi, possono essere un sacrificioeccessivo. Grazie alla tecnica Ams sviluppata dall’Infn, è invece possibile eseguire l’analisi suanche meno di un milligrammo di campione.

Figure: “Dettaglio dell’acceleratore in allestimento a Firenze”

Datazioni

Dida1:Cosa voglio capire?Per datare questo manoscritto, quale tecnica conviene utilizzare per e perché? E che quantità delreperto viene distrutta?Dida2: non è previstaDida3.1:Tecnica tradizionale di datazione con il carbonio-14Utilizzando i metodi tradizionali di datazione con il carbonio-14 per datare il manoscrittobisognerebbe distruggere più o meno tutta la pagina. In pratica, quindi, una datazione di questo tipoè impensabile per un documento prezioso.Con le tecniche tradizionali, infatti, il materiale da datare viene distrutto dissolvendolo in unopportuno liquido rivelatore (“a scintillatore”), in grado di “contare” i decadimenti di carbonio-14.Affinché l’incertezza finale nel risultato sia piccola occorre che il numero di decadimenti contati siasufficientemente alto. Tenendo conto delle specifiche caratteristiche del decadimento del carbonio-14 (cioè della sua probabilità di decadimento), si può calcolare che per avere sufficienti conteggi intempi ragionevoli (qualche ora al massimo) occorrono almeno alcune decine di grammi dimateriale.

Dida3.2.:Tecnica AmsUtilizzando la tecnica Ams per datare il manoscritto sarebbe sufficiente distruggere meno di uncentimetro quadro della pagina, magari un pezzetto che non contiene testo e perciò poco importante.Grazie alla Ams si riesce infatti a contare direttamente il numero di atomi di carbonio-14 ancorapresenti nell’oggetto da datare, anziché il numero di quelli che decadono, come avviene nellatecnica tradizionale. E i primi (i “sopravvissuti”) sono in numero enormemente superiore a quelliche decadono durante il tempo di misura.Per la misura, il pezzetto della pagina viene trattato preventivamente trasformandolo in unapolverina di grafite, che è uno degli stati in cui in natura troviamo il carbonio. Questa polvere,compressa in una minuscola pasticca (guardala attraverso la lente di ingrandimento!), viene poimessa nella sorgente di un acceleratore di particelle. Nella sorgente i singoli atomi vengono estrattidalla grafite e accelerati. Durante il loro percorso, opportuni magneti fanno sì che gli atomi nonradioattivi seguano traiettorie diverse da quelle del carbonio-14. Un rivelatore posto lungo latraiettoria del carbonio-14 permette di contarne la quantità dalla quale, per confronto con quella delcarbonio stabile, si può risalire all’età del campione.

Dida3.3:Le tecniche IbaLe tecniche Iba permettono di risalire con precisione alla composizione di un oggetto senzadistruggerne alcuna parte. In alcuni casi questa informazione può consentire di risalireindirettamente all’età dell’oggetto stesso.

Ad esempio, immaginiamo di voler datare il manoscritto che si pensa risalga al Rinascimento e chesia da attribuire ad un certo autore. E immaginiamo di avere un altro documento, che sappiamo concertezza essere stato scritto da quel medesimo autore in una certa data.Con la tecnica Iba si può risalire alla composizione dell’inchiostro con cui è stato redatto ilmanoscritto. Si bersaglia la pagina con un fascio di ioni generati da un acceleratore di particelle. Gliatomi dell’inchiostro che vengono colpiti emettono una radiazione di un’energia caratteristica,diversa da elemento ad elemento. Un rivelatore consente quindi di identificare il tipo di atomipresenti, permettendo di risalire alla composizione dell’inchiostro.Ma come può questa informazione aiutarci a datare il nostro manoscritto?In passato l’inchiostro veniva prodotto in maniera artigianale, miscelandone i componenti inquantità variabile. Quando terminava veniva rifatto e i rapporti fra i diversi ingredienti erano ingenere un po’ differenti rispetto alle volte precedenti. Le tecniche Iba permettono di individuare lacomposizione dell’inchiostro usato per la nostra pagina. Così se il nostro manoscritto e l’altrodocumento di cui conosciamo la data, risultano essere stati scritti con un identico inchiostro, devonoessere stati effettivamente redatti negli stessi giorni e dallo stesso autore. Se invece l’inchiostro èdiverso, la pagina può essere stata scritta in altri periodi e, se è moderno, si tratta evidentemente diun falso.

La TAC nei beni culturaliDida:La tecnica tomografica (dal greco tomos: taglio), meglio conosciuta come Tac (Tomografia AssialeComputerizzata), è un’indagine che consente di ottenere immagini di sezioni dell'oggetto in esame.Si tratta di una tecnica molto comune nel campo medico, ma vi sono applicazioni anche in campiindustriali (automobilistico, aeronautico) e nei beni culturali (tomografie di reperti fossili, rocce ealtro). Nell’ambito dei beni culturali la Tac rientra nell’insieme delle tecniche definite “nondistruttive”, che consentono di ottenere informazioni sulla struttura interna dei campioni indagati,senza danneggiare il campione stesso.Qui si può vedere la simulazione di una TAC eseguita su un piccolo busto in argilla. L’oggetto inesame viene investito da un fascio di raggi X, simulati qui dalla luce visibile di una lampadina, iquali vengono emessi da una sorgente (in bianco, alla vostra sinistra). I raggi X sono radiazioneelettromagnetica con una lunghezza d’onda molto più piccola di quella della luce visibile. Grazie aquesta lunghezza d’onda minima essi riescono a penetrare la materia. A seconda della densità delmateriale di cui è composto l’oggetto, i raggi X vengono più o meno attenuati. Oltre l’oggetto inesame si trova uno schermo scintillatore, sul quale i raggi X che non sono stati attenuati vengonotrasformati in luce visibile. La luce viene raccolta dall’obiettivo di una telecamera digitale e quindil’immagine viene trasferita al computer. Spesso l’oggetto in esame è posizionato su una piastrarotante, come il nostro busto, per cui si acquisisce un’immagine radiografica ad ogni piccolarotazione della piastra. Al termine di una rotazione completa, le immagini ottenute vengonoimmagazzinate nella memoria del computer e rielaborate mediante software specifici. Il risultatofinale è la completa ricostruzione tridimensionale del busto d’argilla. A questo punto, i ricercatoripossono effettuare dei “tagli virtuali” sul volume dell’oggetto per osservarlo al suo interno, senzadanneggiarlo o aprirlo.

Il progetto Grid (Animazione al computer sulla grid)

Nell’ambito delle attività dell’Infn che hanno notevoli ricadute sulla società, spicca il progettoGrid . Questo ha come obiettivo la realizzazione di una rete, la “Grid”, con prestazionirivoluzionarie rispetto a quelle fornite dal web. Il progetto di una Grid nasce negli Stati Uniti nel1995, quando era già chiaro che, con il progredire delle tecnologie, sarebbero divenute necessarierisorse di calcolo inimmaginabili. Sorse così l’idea di creare un’immensa rete di calcolatori che,

tutti insieme, costituissero una sorta di riserva di calcolo a cui i diversi utenti potessero accedere aseconda delle necessità: un po’ come avviene con l’energia elettrica che gli utenti prelevano da unarete condivisa (in inglese electric power grid) alla quale afferiscono diverse centrali.

Da allora l’Europa si è portata all’avanguardia nello sviluppo della Grid e l’Italia occupa un posto diprimo piano grazie al progetto Infn-Grid. Ma perché i fisici delle particelle sono interessati allosviluppo di questa tecnologia? Il legame tra fisici delle particelle e reti telematiche è sempre statomolto stretto. Il web fu concepito al Cern di Ginevra perché ricercatori di tutto il mondo avevanobisogno di scambiarsi in modo veloce ed efficiente l’immensa mole di dati prodottidall’acceleratore Lep. A partire dal 2007, Lhc produrrà una quantità di dati con cui non ci si è maiconfrontati nel passato: circa 10 milioni di miliardi di byte di dati l’anno, per la cui elaborazione ènecessaria una capacità di calcolo pari a quella di circa 100.000 personal computer odierni.

Box: La grid in biologiaL’analisi e il confronto della struttura tridimensionale delle proteine è uno strumento importantenella proteomica moderna e rappresenta un passo fondamentale verso la comprensione di comequeste molecole svolgono la loro attività. Infatti la struttura di una proteina è strettamente legata allesue funzioni all’interno dell’organismo. Lo sviluppo della grid permetterà la messa a punto di unabanca dati per la gestione di una quantità enorme di informazioni: attualmente le proteine di cui siconosce la struttura sono circa 20.000, una quantità irrisoria rispetto ai molti milioni esistenti.

Figure: “Alcuni dei progetti per la costituzione di una Grid europea” “La struttura tridimensionale dell’emoglobina”

Animazione al computer sulla grid (non prevede didascalia)

Mammografie (poster isolato)

Sul fronte medico, uno dei progetti in cui è coinvolto l’Infn è il progetto Calma (ComputerAssisted Library for Mammography). Si tratta di un sofisticato software sviluppato dai fisicidell'Infn per aiutare i radiologi nella diagnosi dei tumori al seno, facilitandoli nell’individuazione disospette neoplasie. Esso è usato in apposite “stazioni integrate” costituite da uno scanner e da un Pc,attualmente installate in diversi ospedali italiani per la sperimentazione clinica. La stazioneintegrata effettua l'analisi automatica delle mammografie mediante un sistema Cad (ComputerAided Detection). Successivamente ne effettua l'elaborazione e la classificazione utilizzando sistemidi intelligenza artificiale, principalmente reti neurali artificiali.

Uno degli scopi del progetto Calma è inoltre quello di creare un archivio di circa 5.000mammografie digitalizzate e accompagnate da una diagnosi formulata in maniera omogenea. Larealizzazione di questa banca dati sarà resa possibile dallo sviluppo della rete Grid. Questarete di nuova generazione permetterà infatti ai radiologi di consultare mammografie distribuite sututto il territorio nazionale come se si trovassero memorizzate nel sistema locale dell’ospedale in cuioperano. Così ogni immagine potrà essere confrontata con altre e usata per una diagnosi a distanza.

Figure: ”Un’immagine mammografia digitale” “Analisi di una mammografia con i metodi tradizionali“

Trattamento di tumori (poster isolato)

Sul fronte medico, sono diversi i progetti per il trattamento dei tumori che vedono impegnatiricercatori dell’Infn. Fra questi è di particolare rilievo l’impegno per la costruzione in Italia di uninnovativo Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (Cnao), voluto dal Ministero dellaSanità.

L’adroterapia è una delle tecniche di radioterapia più avanzate oggi esistenti. Essa prevede chele cellule tumorali siano distrutte tramite irraggiamento con fasci di “adroni”: particelle formate daquark, come i protoni e i neutroni. In particolare nell’adroterapia vengono usati protoni o nucleileggeri. I fasci di queste particelle, rispetto a quelli di fotoni o di elettroni usati nella radioterapiausuale, hanno il vantaggio di rilasciare la maggior parte della loro energia in una regionepiccolissima, anche in profondità, in modo da colpire con la massima efficienza le cellule alteraterisparmiando quelle sane circostanti.

Nel Centro italiano, che è previsto entri in funzione a Pavia nel 2007, i tumori verranno trattati connuclei di carbonio, con i quali si può ottenere un fascio estremamente preciso e in grado diraggiungere e colpire tumori situati fino a una profondità di 27-28 centimetri. Nel mondo oggi esistesolo un altro centro dove gli ioni carbonio vengono utilizzati nell’adroterapia ed è in Giappone.

Sempre nel campo dell’adroterapia, dal 2002 presso i Laboratori Nazionali del Sud è attivo ilprogetto Catana per il trattamento di alcuni tumori poco profondi, in particolare un tipo di tumoreall’occhio frequente e molto maligno chiamato melanoma della coroide. Catana ad oggi ha trattatocon successo circa 60 pazienti e con il suo avvio l’Italia è divenuto uno dei pochi Paesi al mondo ingrado di effettuare l’adroterapia.

L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Tour virtuale al computer)

L’INFN, l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, è l’Istituto che promuove, coordina edeffettua la ricerca scientifica nel campo della fisica subnucleare, nucleare e astroparticellare,nonché la ricerca e lo sviluppo tecnologico necessari all’attività in tali settori.Opera in stretta connessione con l’Università e nel contesto della collaborazione e del confrontointernazionale e in collaborazione con l’Industria.L’INFN in Italia è articolato in 19 sezioni, che hanno sede in altrettanti Dipartimenti Universitari, ein 4 Laboratori Nazionali: i Laboratori Nazionali di Frascati, del Gran Sasso, di Legnaro e del Sud.Inoltre è la parte italiana del consorzio italo-francese Ego (European Gravitational Observatory).Oltre che al Cern, numerosi esperimenti internazionali vedono la partecipazione attivadell’infn e dei suoi ricercatori.

Tour virtuale al computer (non prevede didascalia)