storia della scienza Il signore degli ?· Il signore degli anelli storia della scienza Le gigantesche…

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<p>www.lescienze.it Le Scienze 8584 Le Scienze 556 dicembre 2014</p> <p>Corte</p> <p>sia </p> <p>Arch</p> <p>ivio</p> <p> Bat</p> <p>timel</p> <p>li (T</p> <p>ousc</p> <p>hek,</p> <p> in a</p> <p>lto); </p> <p>ANSA</p> <p> (AdA</p> <p>) </p> <p>Il signore degli anelliIl signore degli anellistoria della scienza</p> <p>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 </p> <p>di Giorgio Sestili</p> <p>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). </p> <p>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.</p> <p>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.</p> <p>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-</p> <p>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.</p> <p>I n b r e v e</p> <p>Lideatore e il prototipo. Sopra Bruno Touschek nel 1961 ai Laboratori nazionali di Frascati dellIstituto nazionale di fisica nucleare; accanto AdA, il prototipo dei </p> <p>collisori di materia e antimateria costruito nel 1960 in base alle idee di Touschek.</p> <p>www.lescienze.it Le Scienze 8786 Le Scienze 556 dicembre 2014</p> <p>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.</p> <p>Unidea genialeTouschek nacque a Vienna il 3 febbraio 1921. Il padre, Franz </p> <p>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. </p> <p>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. </p> <p>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.</p> <p>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.</p> <p>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 </p> <p>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. </p> <p>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. </p> <p>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. </p> <p>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 </p> <p>nel vuoto e il vuoto ci dir su quali frequenze preferisce vibrare, spieg Touschek.</p> <p>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.</p> <p>Il primo anelloTrascorsi appena 15 giorni dal seminario di Touschek, il 22 </p> <p>marzo 1960, un memorandum interno dei laboratori di Frasca-ti annunciava lavvio del progetto AdA, indicando gi le prime di-sposizioni: un iniziale stanziamento di otto milioni di lire, e Tou-schek come leader dellesperimento, affiancato da Giorgio Ghigo per la parte tecnica e da Carlo Bernardini per quella teorica. </p> <p>Nei laboratori di tutto il mondo, per, prevaleva un genera-le clima di scetticismo nei confronti di AdA. Non riuscirete mai ad accumulare positroni era la frase che i fisici di Frascati si sen-tivano ripetere. Eppure nei laboratori regnava un clima di gran-de entusiasmo e di stretta collaborazione. La costruzione di AdA procedeva a ritmi serrati e cos, in meno di un anno, nacque il pi piccolo anello di accumulazione mai costruito, con un diametro di 160 centimetri e un peso di 8,5 tonnellate. </p> <p>A febbraio 1961 cominci la sperimentazione con AdA e, in pochi giorni, le prime particelle iniziarono a circolare nella ciam-bella dellacceleratore. Leccitazione iniziale fu per subito smor-zata dalla conferma di un fenomeno ampiamente previsto: lin-tensit con cui venivano iniettate le particelle nellacceleratore era troppo bassa. Cera bisogno di un acceleratore lineare, un linac (da linear accelerator), capace di fornire un adeguato numero di elet-troni e positroni che poi avrebbero dovuto circolare nella ciam-Co</p> <p>rtesi</p> <p>a Ar</p> <p>chiv</p> <p>io B</p> <p>attim</p> <p>elli </p> <p>(AdA</p> <p>)</p> <p>Corte</p> <p>sia </p> <p>CERN</p> <p>Giorgio Sestili si laureato in fisica con una tesi su ADONE, per la quale ha studiato i documenti negli archivi di Bruno Touschek, Edoardo Amaldi e Marcello Conversi. </p> <p>Come funziona. Simulazione di una collisione tra elettroni e positroni, in entrata a sinistra e a destra (linee rosse), </p> <p>con produzione di altre particelle, le cui traiettorie sono indicate con linee azzurre e arancioni. A fronte, AdA a Orsay, in Francia.</p> <p>I L L I m I t e </p> <p>Per un pugno di megaelettronvolt</p> <p>Fra le tappe che hanno portato alla costruzione e allentrata in funzio-ne di ADONE c un momento cruciale che avrebbe potuto cambiare le sorti di questo esperimento. Le fonti sono i verbali originali della Com-missione Esperienze ADONE (CEA), conservati negli archivi di Bruno Touschek ed Edoardo Amaldi al dipartimento di fisica Guglielmo Mar-coni della Sapienza Universit di Roma.Era lottobre 1963. Dal CERN, dove erano in corso esperimenti sui neu-trini, arrivarono alcuni risultati che indicavano la probabile esistenza del bosone W, particella che media le interazioni deboli (le reazioni nucle-ari provocate dalle interazioni deboli sono alla base della produzione di energia da parte del Sole) in una finestra di energia compresa fra 0,8 e 1,8 gigaelettronvolt. Nella riunione del 7 ottobre, Bruno Touschek, Rug-gero Querzoli, Carlo Bernardini e Ferdinando Amman discussero a lun-go dellopportunit di modificare i parametri tecnici di ADONE, esten-dendo lenergia massima della macchina oltre 1,5 gigaelettronvolt per fascio, alla luce delle possibili nuove rivelazioni del CERN. Dopo atten-te valutazioni di carattere tecnico e finanziario, si decise di rimanere su 1,5 gigaelettronvolt per fascio. Oggi sappiamo che le stime sulla mas-sa del bosone W, scoperto ventanni dopo al CERN da Carlo Rubbia e Simon van der Meer (che ricevettero per questo il Nobel per la fisica), erano inesatte, e non di poco. Ma la cosa pi importante da un punto di vista storico che questo fu il momento in cui pi si and vicini al-la possibilit di aumentare lenergia di ADONE oltre tre gigaelettronvolt. Se cos fosse stato, adesso staremmo raccontando tuttaltra storia.</p> <p>www.lescienze.it Le Scienze 8988 Le Scienze 556 dicembre 2014</p> <p>Le </p> <p>Scie</p> <p>nze</p> <p> su </p> <p>indi</p> <p>cazi</p> <p>one </p> <p>dell</p> <p>auto</p> <p>re</p> <p>Corte</p> <p>sia </p> <p>Arch</p> <p>ivio</p> <p> Bat</p> <p>timel</p> <p>li</p> <p>Frascati: la particella J/ era l, a portata di mano. Sarebbe basta-to guardare anche oltre lultima duna. Sarebbero bastati altri 50 miserabili megaelettronvolt, come disse Bernardini.</p> <p>Con la scoperta della particella J/ si apr un periodo entusia-smante per la fisica delle particelle, che venne definito la rivolu-zione di novembre. Una sequenza ravvicinata di importanti sco-perte port allaffermazione del modello standard. </p> <p>I laboratori di Frascati, e dunque la fisica italiana, persero in-vece quella spinta che negli anni sessanta aveva permesso di pri-meggiare a livello internazionale. Il progetto SUPERADONE, lac-celeratore erede di ADONE, fu presto abbandonato. Cos inizi la fuga dei ricercatori verso lestero e dunque la dispersione delle straordinarie competenze accumulate.</p> <p>Touschek, ormai gravemente malato, prov sentimenti di rab-bia e profondo sconforto dopo lassegnazione del Nobel per la fi-sica a Richter e Ting, e aveva le sue buone ragioni. Proprio Tou-schek era stato lideatore del tipo di acceleratori che, ancora oggi, permettono di esplorare gli elementi pi intimi della natura. Le ri-flessioni che Touschek esplicit nelle lettere che scrisse nel 1976 al suo amico e importante storico della fisica Paul Forman sono pi che attuali: troppo spesso, a essere premiate, non sono le idee al-la base di una scoperta, ma chi consegue...</p>