bruno touschek: vita di un grande scienziato · rivelò essere un ospedale, dove lo curarono. ......

Bruno Touschek:

vita di un grande scienziato

David Alesini e Andrea Ghigo

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Laboratori Nazionali di Frascati

BRUNO TOUSCHEK

Touschek nacque a Vienna nel 1921 da un

ufficiale dell’esercito Austriaco e madre

ebrea

Il padre dovette lasciare l’esercito nel 1932

all’età di 31 anni quando il potere fu preso

dai filo fascisti.

Nel ’36 fu ricostituito il partito nazional

socialista con una recrudescenza

dell’antisemitismo e nel ’37 Touschek

dovette lasciare la scuola per l’entrata in

vigore delle leggi razziali a causa del suo

“sangue misto”

Continuò a frequentare i compagni di scuola che lo tennero al

corrente degli avvenimenti e gli suggerirono di andare a sostenere gli

esami finali in un’altra scuola dove non conoscessero la sua

situazione: così fece e passò gli esami con ottimi voti.

Anche se Mussolini era favorevole al governo di Hitler, l’atteggiamento verso gli ebrei era più “morbido” e Bruno trovò più prudente iscriversi ai primi due anni di Ingegneria dell’Università di Roma invece di tornare a Vienna. In Facoltà seguì i corsi di Analisi Matematica tenuti da Francesco Severi

Nello stesso tempo chiese il visto per andare in Gran Bretagna a studiare chimica a Manchester.

Gli fu detto che poteva ottenere il visto attraverso una organizzazione di Quaccheri che aveva sede a Vienna. Tornò, quindi, in Austria. Nel settembre del ’39 scoppiò la seconda guerra mondiale e gli fu impossibile partire per la Gran Bretagna.

UNIVERSITÀ IN ITALIA

Nel 1938 venne a Roma a passare le vacanze di fine anno scolastico come era tradizione della borghesia dell’epoca. Allo stesso periodo risale l’annessione dell’Austria alla Germania di Hitler.

Nel frattempo studiando un libro di fisica atomica di Sommerfeld (un

famosissimo professore di Monaco), trovò piccoli errori e, consigliato dal

suo professore di matematica Hlawka, scrisse a Sommerfeld il quale lo

ringraziò e gli fece revisionare un altro importante trattato. Gli consigliò,

inoltre, di andare all’Università di Amburgo, dove non lo conosceva

nessuno, da un famoso chimico-fisico: Harteck.

Touschek visse ad Amburgo facendo più lavori in parallelo (per

mantenersi) e cambiando casa continuamente per non farsi individuare.

UNIVERSITÀ IN GERMANIA

Touschek rimase a Vienna e frequentò

i corsi di fisica e matematica cercando

di “non dare nell’occhio” ma nel Giugno

del ’40 gli fu comunicato che non

poteva più frequenare l’università

per ragioni razziali.

TOUSCHEK STUDENTE-LAVORATORE

Lavorò presso un ditta, affiliata della Philips, che sviluppava i Klystron, (tubi che producono potenza elettromagnetica a radiofrequenza) utilizzati nelle telecomunicazioni.

All’Università seguiva i corsi senza registrarsi e in particolare quelli del Prof. Lenz, che lo ospitò a lungo in casa sua, e di Jensen (premio Nobel).

Lavorò anche presso la Lowenradio (poi Opta) dove fu impegnato nello sviluppo di particolari tubi catodici compatti. Lì venne a sapere della proposta di Rolf Wideroe (uno dei padri fondatori degli acceleratori di particelle) di costruire un betatrone.

Dopo aver letto la trattazione della parte teorica riguardante la stabilità delle orbite descritte dalle particelle, Touschek trovò degli errori, scrisse a Wideroe che subito lo chiamò a partecipare al progetto.

WIDEROE

LA PRIGIONIA

Bruno Touschek spesso andava alla Camera di Commercio di Amburgo

dove poteva leggere i giornali stranieri. Fu notato per queste ripetute visite

e all’inizio del ’45 la Gestapo la arrestò in base alle leggi razziali.

Rolf Wideroe andava a trovarlo spesso in prigione portandogli cibo, i

suoi cari libri e soprattutto le sigarette. Durante le visite parlavano di

scienza e del progetto del betatrone.

In prigione Touschek concepì la teoria del “radiation damping”, per la

quale la luce emessa dagli elettroni curvati da un campo magnetico

contribuisce a stabilizzare gli elettroni circolanti nell’acceleratore stesso.

A Marzo del ’45 arrivò l’ordine di trasferire i prigionieri da Amburgo al

campo di concentramento Kiel. Nonostante la febbre alta che in quel

momento aveva fu costretto a lasciare la prigione. Mentre marciava

portando con sè un pesante pacco con i suoi libri, Touschek svenne, Un

ufficiale delle SS prese la pistola e gli sparò alla testa. Lo colpì vicino

all’orecchio sinistro. La ferita non era grave ma uscì molto sangue e

pensando che fosse morto lo lasciarono lì svenuto.

LA LIBERAZIONE

Passò un gruppo di civili e mentre discutevano

se l’uomo abbandonato sulla strada fosse morto

o meno, Touschek si riprese e chiese di

telefonare. Gli indicarono un edificio, che si

rivelò essere un ospedale, dove lo curarono.

Purtroppo il direttore chiamò la polizia e lo

arrestarono di nuovo portandolo nel carcere di

Altona. Nei suoi racconti di prigionia (ad Amaldi)

Touschek descrisse questo secondo carcere

come “antico” con guardie “gentili” nei confronti

dei prigionieri.

Liberato dagli Inglesi riprese a lavorare al

betatrone che nel frattempo era stato trasferito

a Wrist vicino al confine Danese.

All’inizio del ’46 frequentò la prestigiosa

Universita’ di Gottinga dove incontrò molti

illustri fisici del tempo e si laureò.

GLASGOW

Nel Febbraio del 1947 Touschek partì per Glasgow dove era in costruzione un acceleratore di particelle di alta energia (per l’epoca): un sincrotrone di 350 MeV.

Lavorò sugli aspetti teorici dell’acceleratore e ottenne il diploma PhD (il nostro dottorato di ricerca) con una tesi sulla produzione di mesoni (particella di energia intermedia fra elettrone e protone) tramite gli elettroni.

Scrisse molti articoli teorici sui modelli nucleari, sulla produzione di pioni nell’urto protone-protone, sulla densita’ dei livelli di energia dei nuclei, ma soprattutto sul formalismo dell’elettrodinamica quantistica che riteneva una teoria tanto elegante che si potesse estendere alle interazioni deboli precorrendo la teoria unificatrice elettro-debole.

BRUNO TOUSCHEK A ROMA

Nel Dicembre del 1952 Touschek

tornò a Roma, ospite della zia Ada,

per incontrare Bruno Ferretti,

professore di Fisica teorica del

quale aveva letto gli articoli

scientifici.

Edoardo Amaldi, che era un vero

“talent scout”, si ricordo’ del brillante

giovane teorico Austriaco che era

stato a Roma nel 1938, gli offri’ un

posto all’Università di Roma e

Touschek accettò.

All’inizio lavorò con Radicati, Morpurgo e Cini su problemi fondamentali e

le interazioni deboli. Dai racconti di Ferretti ad Amaldi risultava anche che

Touschek aveva avuto l’idea, poi sviluppata da Weimberg e Salam, che si

potessero unificare la teorie elettromagnetica e debole.

Con la moto che Touschek chiamava Josephin e che

riteneva in grado di portarlo a casa senza pericolo anche

quando aveva bevuto con gli amici, una notte ebbe un

incidente.

Andò a sbattere contro una macchina e picchiò la testa.

Quando lo portarono all’ospedale si arrabbiò moltissimo con

il primario. Mandarono a chiamare Valentino Braitemberg,

giovane psichiatra (divenuto poi il direttore del Max Plank

Institute di Gottinga), che parlava tedesco e gli fece evitare

una denuncia dicendo che era il trauma e non l’alcool che

aveva provocato la sfuriata. Da allora divennero grandissimi

amici!

Touschek non

perdeva

occasione con i

suoi disegni di

ironizzare sui

comportamenti

dei colleghi e

studenti

dell’Università.

BRUNO TOUSCHEK LA MOTO E LE VIGNETTE

TOUSCHEK E I LABORATORI DI FRASCATI

• Per capire il legame di Bruno Touschek con Il nostro territorio ed il

contributo importantissimo dato alla fisica degli acceleratori di particelle è

bene decrivere la nascita dei laboratori di Frascati

Discussione sul verso dei campi

magnetici e del moto delle particelle

in un acceleratore

L’idea di proseguire il filone di studi sulla fisica

atomica aperto da Enrico Fermi e dai ”ragazzi di

via Panisperna” negli anni ‘20 era sempre stato

forte.

Purtroppo prima la guerra poi le ristrettezze

economiche legate al dopo-guerra rallentarono il

progetto di costruire acceleratori di particelle di alta

energia come si cominciava, invece, a fare in

America. Ma il fermento di quella scuola che ormai

era stata creata ed enumerava fra i migliori fisici

nucleari e delle particelle del mondo non era

arrestabile.

Nel 1948 fu creato sul Cervino un laboratorio per

l’osservazione dei raggi cosmici nell’attesa di

“farseli in casa con gli acceleratori”, come diceva

Gilberto Bernardini, e alla Testa Grigia a 3500 m di

altezza si incontrarono fisici di tutte le universita’

italiane istituendo forti legami personali e

professionali che risultarono fondamentali per la

crescita dell’INFN

FISICA NUCLEARE IN ITALIA: ANTEFATTO

COME SI DECISE LA COSTRUZIONE DEL

SINCROTRONE A FRASCATI

La richiesta di Amaldi e Gilberto

Bernardini di costruire un acceleratore in

Italia arrivò fino a De Gasperi, tramite

Leone Cattani Ministro dei Lavori Pubblici,

ma la finanza pubblica aveva altre priorità

in quel periodo di ricostruzione.

Il prof. Francesco Giordani allora

contatto’ l’onorevole Pietro Campilli,

Ministro dell’Industria, che si rivelò

fortemente interessato alle iniziative di

studio sul nucleare.

Amaldi, Giordani e Campilli concordarono di istituire il Comitato Nazionale per

la Ricerche Nucleari CNRN per Decreto del Presidente del Consiglio e finanziato

dall’IRI e dal Ministero dell’Industria.

Si decise la costruzione di un Sincrotrone di energia compresa fra i 500 ed I 1000

MeV.

Si contendevano la realizzazione del Laboratorio Milano, Roma e Pisa

Ma quando gli industriali milanesi capirono che il sincrotrone non era una

macchina per ricerca sull’energia preferirono gli studi sulla realizzazione di

un reattore nucleare (realizzato poi ad Ispra).

Il Ministro Campilli, illustre frascatano, convinse l’amico senatore

Pietro Micara sindaco di Frascati a regalare un terreno dal curioso

nome di Macchia dello Sterparo.

PERCHÈ FRASCATI?

La costruzione del Sincrotrone e

dell’inesistente centro di ricerca fu

affidata a Giorgio Salvini

Pisa 1955: Ricercatori in partenza per Roma. Nel 1955 la sezione

acceleratore dell'INFN di Pisa inizia il trasferimento a Roma per la

costruzione del sincrotrone. In seguito alla decisione di costruire il

sincrotrone a Frascati, la sezione acceleratore diventera' i “Laboratori

Nazionali di Frascati dell'INFN”.

RICERCATORI A ROMA

L’AREA DEI LABORATORI

Il problema della mancanza d’acqua fu risolto scavando un pozzo

di 160 m “Assurdamente profondo fin quasi agli antipodi” (Touschek)

FOTO DI GRUPPO DEL PERSONALE DI FRASCATI

L’ELETTROSINCROTRONE DI FRASCATI

L’elettrosincrotrone è stato il primo acceleratore ad alta energia

realizzato in Italia. Fu approvato nel 1953 e la sua costruzione iniziò nel

1957. Dopo appena due anni l’acceleratore era operativo.

1) La materia è vuota : ciò che non ha interagito viene perduto; 2) Il bersaglio è complesso: molte delle particelle prodotte disturbano l’esperimento; 3) Rivelatore “anisotropo”; 4) Parte dell’energia del fascio di particelle non viene “sfruttata” nell’interazione in quanto posseduta dal Centro di Massa del sistema in movimento;

sincrotrone

LINAC

bersaglio S

L

p+/-

e-,e+,p …

p, n, etc

rivelatori

FISICA DELLE PARTICELLE CON ACCELERATORI:

COLLISIONI SU TARGHETTA FISSA

Anello di

Accumulazion

e

Rivelatore

La geniale idea di Bruno Touschek (1960) fu quella di

utilizzare come particelle collidenti, particelle ed

antiparticelle che, nella loro annichilazione, avrebbero

rilasciato tutta la loro energia per creare nuove particelle.

Inoltre i prodotti delle collisioni sarebbero stati

relativamente “semplici” rispetto a quelli prodotti dalla

collisione contro un bersaglio complesso.

NASCITA DEI MODERNI COLLIDER

COLLISIONE CONTRO BERSAGLIO FISSO

mvq 0q

m vm

ENERGIA DISPONIBILE

NELL’INTERAZIONE

RIV

ELA

TO

RE

AN

ISO

TR

OP

O

COLLISIONE FASCIO-FASCIO

m vm

RIV

ELA

TO

RE

ISO

TR

OP

O

22Emc

v

mvq mvq

ENERGIA DISPONIBILE

NELL’INTERAZIONE

EECM 2

Per contro, la densità dei fasci relativistici che si

sanno realizzare è molto bassa rispetto a quella

della materia condensata di una targhetta.

ENERGIA DISPONIBILE NELL’INTERAZIONE

LA PRIMA PAGINA DEL QUADERNO DI APPUNTI

DI BRUNO TOUSCHEK SU ADA

AdA (Anello di Accumulazione) 1960-1965

Registrazione dei primi elettroni

accumulati in AdA. La vita media era 21

sec, il numero medio 2.3.

AdA e’ costituito da un

magnete a

focheggiamento

debole in grado di far

circolare particelle

(e+/e-) con una energia

di 250 MeV.

I PRIMI

RICERCATORI AD

ADA

Carlo Bernardini

Giorgio

Ghigo

Gianfranco Corazza

Fisici Teorici

Fisici Sperimentali

Frascati: Elettroni vengono estratti dal

Sincrotrone per essere iniettati in AdA

Per passare da elettroni a positroni

l’acceleratore veniva ruotato intorno

al suo asse

“Il girarrosto”

Orsay: Elettroni vengono iniettati in AdA

dall’acceleratore lineare.

Per passare da elettroni a positroni

l’acceleratore veniva spostato e ruotato

intorno al suo centro

INIEZIONE ED ESTRAZIONE AD ADA

DA ADA A DANE:

LA STORIA DEI MODERNI ACCELERATORI INIZIA A FRASCATI

ADA

DANE

(1996-)

ADONE

1967-1993

COLLISORI

MATERIA- ANTIMATERIA

Sono qui elencati gli

acceleratori di particelle che

hanno utilizzato l’idea di

Touschek di far collidere

particelle e antiparticelle.

Da questi collisori sono stati

effettuati tutti gli esperimenti

piu’ importanti in fisica delle

particelle elementari

27 km

LEP E LHC A GINEVRA

IN BREVE: COME SI ACCELERANO LE PARTICELLE

BvEqdt

pd +

chargeq

velocityv

momentump

LINEARI CIRCOLARI

APPLICAZIONI MEDICHE

1) Produzione di radioisotopi: protoni da 7-100 MeV accelerati con ciclotroni o linac

PET: diagnostica oncologica

2) Radioterapia con raggi X o elettroni

Sistema di collimazione

Foglio metallico per la produzione di raggi x LINAC

Terapia antitumorale basata sull’irraggaimento con protoni e ioni pesanti. E’ più efficace e più localizzata (risonanza di Bragg) rispetto a quella basata su elettroni o raggi X Centri in funzione: CNAO a Pavia, PSI a Zurigo, Loma Linda in California, Giappone,…

APPLICAZIONI MEDICHE: ADROTERAPIA

Courtesy M. Pullia

FISICA DELLA MATERIA: SORGENTI DI LUCE DI SICROTRONE E LASER AD ELETTRONI LIBERI

RADIAZIONE DA PARTICELLE CARICHE ULTRARELATIVISTICHE

Campo elettrico

Carica ferma

Carica in movimento

Traiettoria rettilinea

Contrazione relativistica delle linee di forza di campo E


Carica in movimento

Traiettoria generata da un dipolo

RADIAZIONE DA PARTICELLE CARICHE ULTRARELATIVISTICHE: DIPOLO

Onda piana


Carica in movimento Traiettoria in un ondulatore

RADIAZIONE DA PARTICELLE CARICHE ULTRARELATIVISTICHE: ONDULATORE

PROPRIETA’ DELLA RADIAZIONE DI SINCROTRONE La radiazione di sincrotrone viene emessa in un ampio spettro. La frequenza critica (o viceversa la lunghezza d’onda critica) identifica (circa) il picco dello spettro ed è funzione dell’energia degli elettroni (3).

La radiazione emessa da un anello di luce di sincrotrone nei raggi X è incoerente per poter studiare una materiale (proteine, etc…) si devono utilizzare dei campioni cristallizzati

SORGENTI DI NEUTRONI

Charge neutral

Deeply penetrating

Li motion in fuel cells

electric cars/ AIRBUS plane welding

properties/MICROCHIP readiation resistance

Scattering

Sensitive to light elements

Actives sites in proteins

Better drugs

Magnetic moment (spin)

Directly probe magnetism

Efficient high speed trains

High-Tc superconductivity

Courtesy: Dimitri Argyriou

FISICA FONDAMENTALE: COLLIDERS

IL LIMITE DELLE MACCHINE CIRCOLARI AD ALTA ENERGIA

Macchine adroniche (p,…) BvEqdt

pd +

B

cGeVp

3.0

]/[

Con dipoli superconduttori si può pensare di arrivare a campi dell’ordine della 15-20 T (8 T LHC)

Con un investimento considerevole si potrebbe pensare di raddoppiare circa l’energia di LHC utilizzando lo stesso tunnel

Macchine leptoniche (collider e+,e-) Utilizzate per misure di precisione ad elevata luminosità

Il limite ancor più che sul raggio di curvatura massimo è dato dalla potenza persa per emissione di luce di sincrotrone

4

0

2

3

eU

giroper

Una elettrone a 200 GeV nel tunnel di LHC perde decine di GeV in un giro!

ACCELERAZIONE AL PLASMA

Campo elettrico <100 MV/m Limitato da fenomeni di scarica all’interno delle strutture metalliche

Negli acceleratori al plasma, un’onda di plasma viene generata da un impulso laser (o da un pacchetto di elettroni) che attraversa il plasma stesso. Nell’onda di plasma si possomo raggiungere campi >100 GV/m

Impulso laser o pacchetto di elettroni che genera l’onda di plasma

plasma

Onda di plasma

km m

TOUSCHEK PROFESSORE

Bruno partecipò allo studio dell’evoluzione di AdA che essendo

l’acceleratore di energia più alta al mondo (di allora), fu chiamato

ADONE.

Già per AdA aveva studiato la perdita di particelle per urto all’interno

del pacchetto di elettroni e positroni, detto effetto Touschek.

Studiò la teoria della stabilità del fascio e la dinamica delle traiettorie

delle particelle.

Quando si entrò nella fase realizzativa ingegneristica, non essendo

particolarmente interessato a piani di costruzione, ingegnerizzazioni

etc. tornò allo studio teorico e all’insegnamento.

Fu un docente stimato soprattutto dagli studenti in quanto era

disponibile con loro quanto intollerante con i difetti dei colleghi.

Non perse mai occasione di ironizzare sulle procedure inutili e

sui comportamenti negativi sia dei docenti che degli studenti

attraverso disegni che faceva durante le riunioni troppo lunghe

L’UMORISMO DI TOUSCHEK E LE VIGNETTE

Bruno Touschek lavorò su argomenti di fisica teorica fondamentale quali

meccanica statistica, termodinamica e la reversibilità del mondo

microscopico.

Morì nel 1978 a 57 anni lasciando un’eredità scientifica enorme attraverso i

suoi studi e l’influenza che aveva avuto sui suoi allievi.

Touschek è il nome del vostro Liceo:

siatene orgogliosi!

BRUNO TOUSCHEK E LA SUA EREDITÀ SCIENTIFICA

Unfortunately Bruno

Touschek did not live

enough to see that

essentially all high

energy physics comes

from colliders...

(C. Bernardini)

BIBLIOGRAFIA

bruno touschek: vita di un grande scienziato · rivelò essere un ospedale, dove lo curarono. ......

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