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www.lescienze.it Le Scienze 8584 Le Scienze 556 dicembre 2014

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Il signore degli anelliIl signore degli anellistoria della scienza

Le gigantesche macchine circolari in cui oggi si scontrano materia e antimateria sono figlie di un prototipo realizzato oltre cinquantanni fa da Bruno Touschek nei laboratori dellINFN

di Giorgio Sestili

E ra ormai notte, il 10 novembre 1974, quan-do nei Laboratori nazionali di Frasca-ti dellIstituto nazionale di fisica nucleare (INFN), a una ventina di chilometri a sud di Roma, improvvisamente squill il telefono. A rispondere fu Giorgio Bellettini, diretto-re dei laboratori dal 1974 al 1976, che suc-cessivamente avrebbe diretto e partecipato a importanti proget-ti di ricerca al CERN di Ginevra e al Fermi National Accelerator Laboratory negli Stati Uniti. Allaltro capo del telefono, la voce di Sau Lan Wu, collaboratrice di Samuel Ting, fisico statuniten-se di origini cinesi a capo di un gruppo di ricerca al Brookhaven National Laboratory, vicino New York, che di l a poco avrebbe vinto il Nobel per la fisica. Bellettini si rese subito conto che quel-la chiamata era importante. Senza troppi giri di parole, Wu co-munic la rilevazione di una nuova particella prodotta allenergia di 3,1 gigaelettronvolt, ovvero 3,1 miliardi di elettronvolt. (Lelet-tronvolt lunit di misura che, grazie alla famosa equazione di Einstein E = mc2, usata per misurare la massa delle particelle).

E il gruppo di Ting non era il solo: anche allo Stanford Line-ar Accelerator Center, sempre negli Stati Uniti, il team guidato da Burton Richter aveva registrato lo stesso segnale.

A Bellettini in un attimo si gel il sangue. Corse verso la sala della sperimentazione e subito prese la decisione: Dobbiamo ri-schiare, tiriamo ADONE per il collo e portiamolo oltre la sua ener-gia massima, fino a 3,1 gigaelettronvolt.

Fu cos che, anche nei Laboratori di Frascati, in appena due giorni, si rilev il limpido segnale della nuova particella, che Ting e Richter chiamarono J/. Era lalba della cosiddetta rivoluzione di novembre, che in breve tempo avrebbe sconvolto lintera fisi-ca e portato alla consacrazione della teoria del modello standard delle particelle elementari, che spiega tre delle quattro forze fon-

Allinizio degli anni sessanta, ai Laboratori di Frascati dellIstituto nazionale di fisica nucleare, Bruno Touschek ide e costru Ada: il primo collisore circolare a fasci incrociati di materia e antimateria.Anni dopo, ADONE prese il posto di Ada: non era pi un prototipo, ma una macchina con cui indagare i segreti della materia. ADONE raggiungeva regioni di energia mai esplorate e avrebbe potuto scoprire nuove particelle.Ma lentrata in funzione di ADONE fu rallentata da varie contingenze, non solo di carattere scientifico. Questo ritardo, e la scelta dei responsabili della macchina di non aumentarne di poco lenergia, fecero perdere ad ADONE e a Touschek la corsa per il nuovo mondo delle fisica delle particelle, che avrebbe portato anche a diversi premi Nobel.

I n b r e v e

Lideatore e il prototipo. Sopra Bruno Touschek nel 1961 ai Laboratori nazionali di Frascati dellIstituto nazionale di fisica nucleare; accanto AdA, il prototipo dei

collisori di materia e antimateria costruito nel 1960 in base alle idee di Touschek.

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damentali esistenti in natura. I primi a varcare la soglia di questo nuovo mondo furono per i fisici statunitensi: Ting e Richter ri-cevettero il Nobel per la fisica nel 1976, a soli due anni dalla loro scoperta. Per un pugno di megalettronvolt (si veda il box in que-sta pagina), ai fisici italiani non spett alcun riconoscimento. Ep-pure, questa storia ebbe inizio proprio a Frascati, grazie a unidea geniale scaturita dalla fervida mente di Bruno Touschek, pioniere della ricerca sugli acceleratori di particelle.

Unidea genialeTouschek nacque a Vienna il 3 febbraio 1921. Il padre, Franz

Xaver, era un ufficiale dello Stato maggiore dellesercito austria-co; sua madre, Camilla Weltmann, proveniva da unillustre fami-glia ebrea viennese, particolarmente conosciuta nei circoli intel-lettuali e artistici della capitale austriaca. Le leggi di Norimberga, che nella Germania nazista negavano la cittadinanza agli ebrei e vietavano i matrimoni fra non ariani e tedeschi, vennero approvate nel 1935, e ladolescenza di Touschek, considerato di sangue misto, fu indelebilmente segnata dalle norme razziali.

A Vienna, Touschek fu ripetutamente cacciato prima dalla scuola e poi dalluniversit, nonostante si fosse gi ampiamente distinto nei corsi di matematica e fisica per le sue brillanti capaci-t. Decise cos di raggiungere Amburgo, per tentare di conclude-re gli studi universitari. Ma non ci volle molto perch le attenzioni della Gestapo, la polizia segreta della Germania nazista, si con-centrassero sul giovane studioso austriaco che, allinizio del 1945, venne arrestato e rinchiuso nel carcere di Amburgo. Trascorsi po-chi mesi, arriv lordine di trasferire i detenuti dalla prigione a un campo di concentramento a Kiel, una citt dellestremo nord del-la Germania. Touschek era malato, aveva la febbre alta e portava con s un pesante pacco di libri, da cui non voleva separarsi. Arri-vati alla periferia di Amburgo, fu colto da un malore e cadde sve-nuto in un canale sul bordo della strada. Un agente non ci pen-s su due volte, estrasse la pistola e gli spar in testa. Credendolo morto, lo lasciarono l, sanguinante e privo di sensi. Fortunata-mente la pallottola aveva solo perforato lorecchio e Touschek si salv. Gli orrori della guerra e la follia delle leggi razziali non ri-uscirono cos a interrompere prematuramente lavventura uma-na e scientifica del fisico. Unavventura che, come vedremo, segn profondamente lo sviluppo della fisica delle particelle.

Trasferitosi a Roma nel 1952, Touschek inizi la sua attivit di ricerca e insegnamento allIstituto di fisica Guglielmo Marconi. Alla fine degli anni cinquanta, i suoi interessi si orientarono ver-so la fisica delle particelle e la costruzione di macchine accelera-trici. Fu cos che cominci a frequentare i laboratori di Frascati dellINFN, dove era in costruzione un elettrosincrotrone, un acce-leratore per elettroni, che sarebbe entrato in funzione nel 1959, fra i migliori al mondo per energia massima e caratteristiche tecniche.

Parallelamente, in tutto il mondo la sfida alle alte energie co-minciava a farsi frenetica. La necessit di allora era la stessa di oggi: aumentare lenergia disponibile nelle collisioni per andare alla ricerca di nuove particelle sempre pi massicce. I laboratori di Frascati non potevano esimersi da questa sfida. Per superare i pi importanti centri internazionali era necessario pensare a un nuo-vo tipo di macchina. Cera bisogno di unidea imprevedibile.

Lidea lebbe proprio Touschek, e la espose il 7 marzo 1960 in un seminario a Frascati. La proposta si rivel subito innova-tiva sotto vari punti di vista. La prima considerazione era sem-plice: due automobili che si scontrano frontalmente, al momen-to dellurto liberano molta pi energia di un auto che si schianta

contro un muro. Di conseguenza, molto pi conveniente far col-lidere due fasci di particelle che viaggiano con velocit uguali e direzioni opposte piuttosto che far urtare particelle contro un ber-saglio fisso, come si era sempre fatto fino a quel momento. A que-sto tipo di collisioni, chiamate collisioni nel centro di massa, lavoravano gi diversi laboratori, superando cos il principio di funzionamento dei vecchi sincrotroni.

Ma la proposta di Touschek and ben oltre questa sempli-ce considerazione cinematica. Lurto fra due fasci di elettro-ni accelerati in direzioni opposte era gi stato proposto da Ge-rard Kitchen ONeill, fisico statunitense della Stanford University e grande esperto di acceleratori di particelle, ma Touschek non era per niente convinto della validit di questidea. Le collisioni fra elettroni implicano uno stato iniziale di carica totale negativa e questo, per le leggi di conservazione, limita le possibili particel-le prodotte nello stato finale rispetto a uno stato iniziale neutro.

Touschek cos propose quella che ai pi, almeno inizialmen-te, parve unidea impossibile da realizzare: lurto fra elettroni e positroni, le loro antiparticelle. Elettroni e positroni sono identici in tutte le loro caratteristiche tranne che nella carica elettrica: i pri-mi hanno carica negativa, i secondi positiva. Elettroni e positroni avrebbero potuto circolare in un unico anello, sfruttando gli stes-si campi magnetici che li avrebbero accelerati in direzioni opposte proprio grazie alla loro opposta carica. Queste nuove macchine ac-celeratrici vennero chiamate anelli di accumulazione, perch le particelle, una volta iniettate, dovevano essere accumulate in gran numero e fatte circolare per un lungo periodo di tempo.

Ma il punto pi importante, e qui c tutta la genialit di Tou-schek, che il sistema elettrone-positrone un sistema neutro, e di conseguenza sarebbe stato una sorgente straordinaria per la produzione di nuove particelle. Tutto dipendeva dallenergia mas-sima raggiungibile: Depositiamo una grande quantit di energia

nel vuoto e il vuoto ci dir su quali frequenze preferisce vibrare, spieg Touschek.

Fu cos che nella primavera del 1960 i fisici e i tecnici dei Labo-ratori nazionali di Frascati si lanciarono nellimpresa di realizzare il primo anello di accumulazione materia-antimateria, e dimostra-re che la loro strada fosse davvero percorribile. A questo prototipo diedero il nome della zia di Touschek: AdA, dalle iniziali di anel-lo di accumulazione.

Il primo anelloTrasc

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