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Accastampato non e` un periodico, pertanto non e` registrato e non ha un direttore responsabile. Questo secondo numero e` uno speciale dedicato alla Settimana della Scienza e Notte Europea dei Ricercatori 2010, con la collaborazione dell’associazione Frascati Scienza, promotrice dell’evento.
L’Associazione Frascati Scienza nasce ufficialmente il 15 Febbraio 2008 per creare opportunit`a di confronto su temi importanti della ricerca avanzata e delle loro implicazioni per la vita quotidiana. Un modo per analizzare e rafforzare i legami, spesso trascurati, fra ricerca, innovazione e territorio nell’Area meridionale di Roma, che vede come epicentro Frascati e dove insistono le principali istituzioni scientifiche italiane e si concentrano grandi progetti di ricerca europei. L’Associazione si rivolge ai ricercatori che vogliono condividere esperienze, comunicare i propri risultati, aggiornarsi e creare strumenti nuovi per promuovere la cultura scientifica, oltre che ai cittadini curiosi, che capiscono l’importanza della ricerca e vogliono saperne di pi`u. Obiettivi primari sono la promozione della scienza e la valorizzazione della realt`a culturale– scientifica italiana, attraverso il contatto diretto con i luoghi della ricerca. Redazione: c/o Scuderie Aldobrandini, Piazza Marconi 6, 00044 Frascati (RM) Tel: 06 83390543/4 – Fax: 06 62209549 Sito web: http://www.frascatiscienza.it Info: info@frascatiscienza.it
Indice
num. 2, Settembre 2010
EDITORIALE
IL RICERCATORE ROMANO
Ricercatori. . . gente come noi
Imbrigliare l’energia del Sole
5 a In occasione della 5 edizione della Settimana della Scienza e della Notte Europea dei Ricercatori, Accatagliato e Frascati Scienza presentano un numero speciale di Accastampato
di C. Mancini Il cuore delle stelle a due passi da Roma: la fusione nucleare del Frascati Tokamak Upgrade promette un futuro di energia pulita e in abbondanza
AMADEUS: la sinfonia delle forze
EVENTI
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di Staff della Notte Europea dei Ricercatori Dal 18 al 26 settembre 2010, Frascati e` la cornice della 5a edizione della Settimana della Scienza
di K. Piscicchia Da dove viene la massa dei nostri costituenti elementari? L’esperimento AMADEUS, ospitato dall’acceleratore DAΦNE dei Laboratori Nazionali di Frascati, affronter`a questa domanda, studiando delle strane particelle: i kaoni
NANOS GIGANTUM
IL RESTO DEL NEUTRINO
Notte Europea dei Ricercatori
Bruno Touschek tra motociclette e antiparticelle
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L’osservatorio geodinamico di Rocca di Papa
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di K. A. Gervasi Vidal Il fondamentale contributo alla fisica sperimentale delle alte energie di un fisico eclettico e geniale, le cui idee e progetti hanno indirizzato la ricerca fino ai giorni nostri
di R. Garra Tra i primi pilastri della rete sismica nazionale, l’Osservatorio ospita dal 2005 un museo geofisico e rappresenta un felice connubio di storia e divulgazione della Scienza
RECENSIONI
ESPERIMENTI
L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare 11
L’acqua che non cade
di R. Garra L’8 agosto del 1951 nasce l’INFN, tra gli istituti pi`u rilevanti per lo sviluppo della ricerca scientifica italiana
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di C. Cosmelli Come non bagnarsi sotto un bicchiere capovolto
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accastampato Rivista degli Studenti di Fisica dell’Universit`a Sapienza di Roma www.accatagliato.org EDITORIALE R EDAZIONE redazione@accatagliato.org
Ricercatori. . . gente come noi
Alessio Cimarelli jenkin@accatagliato.org
“Tutti la vogliono e nessuno se la pija. . . ” Questo modo, tipicamente romano, di definire qualcosa che tutti reputano importante ma che, al dunque, e` lasciata da parte o trascurata, caratterizza sempre di pi`u la ricerca scientifica italiana. Tutti si dicono interessati ad essa e ritengono che sia fondamentale per lo sviluppo del Paese, ma poi nessuno sembra attivarsi concretamente per rafforzarla ed estenderla.
Carlo Mancini carlo@accatagliato.org
Silvia Mariani shyka@accatagliato.org
Leonardo Barcaroli leov@accatagliato.org
Da anni insieme ad alcuni colleghi, ricercatori o semplici appassionati di scienza, ci stiamo impegnando per rendere la Ricerca pi`u pop, avvicinandola sempre di pi`u alle persone comuni. Riteniamo che non sia tanto importante divulgare la Scienza, quanto creare educazione scientifica e gettare le basi affinch´e la Ricerca divenga realmente un bene compreso e condiviso. L’opportunit`a ci e` arrivata dalla Comunit`a Europea che, dal 2005, organizza in contemporanea in molte citt`a europee una Notte dedicata al ricercatore, una figura che spesso si contraddistingue per la sua incapacit`a di condividere il suo mondo con il pubblico e che, di conseguenza, e` scarsamente inserito nell’immaginario collettivo. Con queste iniziative l’Europa vuole forzare i ricercatori stessi a scendere nelle piazze e fra la gente. A invitare tutti quelli che lo vogliono a entrare nei laboratori di ricerca per scoprire la passione che c’`e dentro e per capire che questi non sono templi inaccessibili, ma luoghi dove si cerca di far progredire tutti insieme la conoscenza dell’umanit`a. L’area scientifica a sud di Roma, per tutto ci`o che riguarda la Ricerca, e` sicuramente un luogo eccezionale. Qui si trovano numerosi istituti d’eccellenza italiani che, oltre a ospitare e a far lavorare pi`u di tremila ricercatori, rendono i Castelli Romani l’epicentro di un polo scientifico di grandissima rilevanza europea. A tutto ci`o si aggiungono le universit`a romane, dove i giovani studenti hanno sicuramente capito che e` giunto il tempo di fare qualcosa che arrivi dritto alla gente e che insegni ai giovani ricercatori presenti e futuri come raccontare il mondo in cui sono immersi. Un esempio di quest’aria nuova e` costituito dai ragazzi di accatagliato, l’associazione di studenti e dottorandi di fisica di Roma, che hanno deciso di realizzare questa rivista. E` necessario sottolineare, per`o, che nonostante la buona volont`a e la realizzazione di bellissimi prodotti da parte dell’associazione, tra cui il sito www.accatagliato.org, non si e` ancora trovato un finanziatore che sia disposto a investire sulla distribuzione gratuita della rivista nelle scuole. Il motivo e` semplice e sempre il solito: queste cose sono molto belle, ma al dunque nessuno “se le pija”. . . Per questo, in occasione della quinta edizione della Settimana della Scienza e della Notte Europea dei Ricercatori, Frascati Scienza, l’associazione che organizza la manifestazione, ha deciso di avviare un esperimento: la realizzazione di una free press, il numero 2 della rivista gratuita accastampato, dedicata al largo pubblico, dove, per mano di futuri ricercatori, si racconti e si spieghi un po’ di scienza. Insomma, noi ce la stiamo mettendo tutta per aprire le porte della Scienza ai cittadini. Ci auguriamo che il nostro impegno e la nostra passione siano ripagati da una numerosa partecipazione alla Settimana della Scienza 2010, di cui troverete il programma dettagliato fra queste pagine. Auguriamo ai ragazzi di accatagliato, oltre a tutto il successo che si meritano, di trovare presto un editore realmente interessato al loro lavoro.
Erica Chiaverini erica@accatagliato.org
Niccol`o Loret niccolo@accatagliato.org
Isabella Malacari isabella@accatagliato.org
Massimo Margotti massimo@accatagliato.org
Angela Mecca lela@accatagliato.org
Kristian A. Gervasi Vidal krisgerv@accatagliato.org
C OMMISSIONE SCIENTIFICA Giorgio Parisi giorgio.parisi@roma1.infn.it
Giovanni Battimelli giovanni.battimelli@uniroma1.it
Fabio Bellini fabio.bellini@roma1.infn.it
Lara Benfatto lara.benfatto@roma1.infn.it
Riccardo Faccini riccardo.faccini@roma1.infn.it
Francesco Piacentini francesco.piacentini@roma1.infn.it
Antonio Polimeni antonio.polimeni@roma1.infn.it
Antonello Polosa antonio.polosa@roma1.infn.it
H ANNO CONTRIBUITO C. Cosmelli, R. Garra, C. Mancini, K. Piscicchia, Staff della Notte Europea dei Ricercatori, K. A. Gervasi Vidal.
Buona lettura!
Giovanni Mazzitelli Responsabile della comunicazione della Settimana della Scienza 2010
S I RINGRAZIANO ANCHE Donald E. Knuth, Leslie Lamport, la Comunit`a del TEX Users Group (www.tug.org) e Gianluca Pignalberi Con il patrocinio del
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Notte Europea dei Ricercatori Quinta edizione della Settimana della Scienza 18–26 settembre 2010 Staff della Notte Europea dei Ricercatori (Associazione Frascati Scienza) agli anni ’50 l’area scientifica di Frascati e` protagonista ed epicentro di importanti attivit`a di ricerca di livello internazionale. Lo spirito anche di questa edizione della Settimana della Scienza e` proprio quello di valorizzare e far conoscere questa importante e unica realt`a. Esperimenti e ricercatori in piazza, giochi per i pi`u piccoli, visite ai pi`u importanti laboratori di ricerca italiani ed europei, spettacoli e caff`e scientifici permetteranno a tutti di dialogare con i ricercatori e scoprire la Scienza in modo semplice e divertente. Anche quest’anno saranno tanti gli argomenti trattati. Tra i principali: energia, genetica, ambiente, astrofisica, nanotecnologie, biodiversit`a, mentre i partner CERN ed Erasmus Medical Center mostreranno il mondo delle particelle elementari e della medicina del futuro. Il tutto unito a presentazioni di libri e attivit`a d’intrattenimento musicali e teatrali.
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Frascati, crocevia internazionale di ricercatori Il progetto 2010, denominato BEST (Being European Scientist Today), e` la 5a edizione organizzata da Frascati Scienza, insieme agli istituti di ricerca e agli enti collaboratori che la compongono, ed e` la prima ad avere una reale e completa dimensione europea. Il progetto vede il coinvolgimento di due importanti strutture di ricerca europee come partner: il CERN di Ginevra e l’Erasmus Medical Center di Rotterdam. Fra le attivit`a previste, il collegamento europeo con tali centri sar`a una delle iniziative che conferiranno maggiore valore aggiunto alla manifestazione. -------------------------------------------
Frascati ha un ruolo centrale nell’Europa della ricerca scientifica ------------------------------------------L’evento 2010 e` focalizzato sulla dimensione europea della ricerca italiana e sulla valenza europea del territorio del polo di ricerca Tuscolano e Romano. Frascati e` luogo di scienza a livello europeo da moltissimi anni e, grazie alle sue molteplici strutture di ricerca e ai suoi ricercatori, riveste da anni un ruolo centrale nel panorama continentale. Molte delle grandi ricerche scientifiche europee hanno visto i loro albori a Frascati e tutt’oggi questo polo di ricerca rappresenta un crocevia per tutti i ricercatori europei. Per la Settimana e la Notte della Scienza del 2010 la citt`a diventer`a quindi la piazza centrale di una manifestazione che coinvolger`a tutta Europa. Attraverso le numerose attivit`a in programma e moderne tecnologie multimediali, le piazze delle citt`a ospiti dei cen8
tri di ricerca partner del progetto verranno raggiunte da Frascati e vivranno localmente le stesse attivit`a: studenti, cittadini, turisti, curiosi o semplici passanti di tutta Europa sperimenteranno per una notte le stesse esperienze con i ricercatori europei. -------------------------------------------
L’evento e` focalizzato sulla dimensione europea della ricerca italiana ------------------------------------------Attraverso attivit`a ludico-didattiche quali la Science Fair e lo Star Party e con esperimenti e ricercatori in piazza, visitatori di tutte le et`a potranno interagire con i protagonisti dell’avventura della Scienza e avvicinarsi alle sue leggi fondamentali, imparando, giocando e dando sfogo alla propria curiosit`a. In questi spazi verranno inoltre realizzati dei luoghi di condivisione e dialogo dove i ricercatori racconteranno le tematiche pi`u delicate e interessanti della ricerca moderna. Non verr`a sottovalutato l’approccio diretto alla scienza e ai ricercatori, con un fitto calendario di incontri tematici e dedicati a un pubblico di et`a e preparazione differenti. Momento clou della manifestazione sar`a lo spettacolo in piazza, con collegamenti internazionali e attivit`a delle varie sedi trasmesse in diretta audio/video. Per una notte le piazze delle citt`a coinvolte diventeranno un’unica sola grande piazza per sottolineare ancora di pi`u quanto la ricerca italiana e i ricercatori siano fautori e costruttori ogni giorno di una cultura europea e aiutino con il loro lavoro ad abbattere ogni barriera tra le nazioni. Gli studenti delle sedi coinvolte potranno collaborare con i loro colleghi e realizzare assieme un grande esperimento a cielo aperto che sar`a condiviso in tempo reale grazie alle telecamere sul posto. In un evento che vuole essere una festa oltre che un momento di approfondimento e sperimentazione scientifica, non potr`a mancare la parte dedicata al divertimento. Durante tutta la notte gruppi musicali, performance artistiche e teatrali accompagneranno i visitatori grazie alla collaborazione dei ricercatori pi`u dotati. Molte delle attivit`a verranno videoregistrate allo scopo di creare un cortometraggio, la cui unicit`a sar`a nel raccogliere i contributi dei ricercatori e le eccellenze dei maggiori Centri di Ricerca.
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Bruno Touschek tra motociclette e antiparticelle Un fondamentale contributo alla fisica sperimentale delle alte energie Kristian A. Gervasi Vidal (Dottore in fisica alla Sapienza di Roma)
hi e` un fisico? Cosa fa un fisico? Queste sono classiche domande che anche noi, oggi studenti di fisica e giovani ricercatori, ci siamo fatti all’inizio della nostra formazione e che spesso ci sentiamo rivolgere da amici, conoscenti e parenti. Vi assicuriamo che tutti i giorni i fisici devono – anche implicitamente – rispondere a queste due domande e in fondo il motivo e` molto semplice: la Scienza e` per tutti, negli intenti, negli scopi e anche nel suo sviluppo. Se noi scienziati non siamo in grado di spiegare a chiunque quello che facciamo, con le giuste parole, allora e` possibile che quello che stiamo facendo non abbia poi molto senso. Piuttosto che rispondere a questa provocazione con delle definizioni e con delle discussioni che riguardano il cosa fare o il come farlo, potremmo cercare le risposte nella vita concreta di un fisico. Bruno Touschek e` un giovane austriaco appassionato di moto, di velocit`a e di emozioni. Gli piace disegnare, ha notevoli doti artistiche, ama costruire apparecchiature elettroniche e curiosare ovunque. Ha visitato pi`u volte l’Italia e Roma, citt`a in cui vive sua zia Adele, e a trentuno anni decide di trasferirsi per proseguire le sue attivit`a nella Capitale. Gi`a sembra incredibile che qualcuno avverta il desiderio di venire a vivere nel nostro paese, luogo dal quale si dice che tutti i cervelli siano soliti fuggire. In effetti abbiamo un po’ barato: siamo negli anni ’50.
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Tra febbre e pallottole Bruno nasce il 3 febbraio del 1921 a Vienna. In questa citt`a inizia i suoi studi e all’et`a di sedici anni viene costretto ad abbandonare la sua scuola a causa della discendenza ebraica della madre, deceduta qualche anno prima, nel 1931. Bruno riesce a sostenere gli esami di maturit`a privatamente, presso un’altra scuola, e a iscriversi all’universit`a di Vienna al corso di laurea in Fisica e Matematica. Non molto tempo dopo, per`o, deve lasciare di nuovo gli studi e la sua amata citt`a, sempre a causa delle persecuzioni razziali. Si trasferisce in Germania dove, con l’aiuto di alcuni amici, trova lavoro ad Amburgo in una ditta affiliata alla Philips. In questo ambiente inizia ad apprendere molti dettagli sulla costruzione di impianti di potenza a radiofrequenza: la ditta per la quale lavora produce infatti gli antesignani dei moderni tubi klystron, tubi a vuoto che convogliano elettroni liberi o riuniti in
fasci per impieghi nella trasmissione di segnali radar, di segnali televisivi e anche di segnali da introdurre negli acceleratori di particelle. In questo ambiente Bruno lavora direttamente a contatto con il materiale e con i mezzi che, in un futuro non lontano, costituiranno un’importante fonte di ispirazione per le sue ricerche. Proprio nella sua azienda ha la possibilit`a di studiare alcuni progetti su una macchina che accelera cariche elettriche, il Betatrone di Wider¨oe. Questo ingegnere stava costruendo ad Amburgo un acceleratore e Bruno lo contatta per suggerirgli alcune correzioni ai suoi calcoli: nasce cos`ı una collaborazione che entusiasma moltissimo entrambi. Nel 1945, tuttavia, Bruno viene arrestato dalla Gestapo e, dopo qualche mese di prigionia, trasferito in un campo di concentramento a Kiel. La sorte sembra voltargli le spalle ma, curiosamente, la febbre lo salva dai tedeschi: durante il trasferimento, stremato dalla malattia e sotto il peso dei libri che porta con s´e, crolla a terra, faccia in gi`u nella neve. Un soldato tedesco gli spara un colpo in testa e lo lascia in una pozza di sangue, ma la pallottola lo prende di striscio sull’orecchio. Qualche ora dopo il giovane fisico riesce a riprendersi e si ritrova inaspettatamente libero. . . Come finisce la storia? Non e` il caso di continuare a raccontare di quanto Bruno fosse un ragazzo vivace e pieno di curiosit`a, uno che si tuffava nudo nei laghi della Scozia, che aveva costruito una piscina sopra il suo garage a Via Pola a Roma, che dopo essere caduto due volte dalla sua nuova motocicletta aveva passato la notte a fare calcoli per dimostrare un difetto di progettazione (provocandone il ritiro dal commercio!), uno che sosteneva che “il Superego e` solubile nel vino”. E` pi`u interessante, invece, raccontare quanto sia cambiata la Fisica grazie ai suoi contributi.
Carta e penna vs. Viti e bulloni Tra i fisici esiste un linguaggio in codice che in genere distingue i precisini dagli smanettoni, quelli che preferiscono giocare con carta, penna e lavagne da quelli che preferiscono smontare e sbullonare: generalmente i primi si definiscono fisici teorici, i secondi fisici sperimentali. Chiaramente si tratta di poco pi`u che folklore, ma vi assicuriamo che c’`e pi`u di qualche differenza tra queste due specie. Sono pochi i fisici che appartengono ad entrambi i gruppi: per esempio Einstein e` stato un famoso teorico, come lo sono stati Dirac, Bohr e moltissimi altri. Invece Fermi, Touschek e Feynman fanno parte di quella categoria di scienziati sempre pronti a tutto. Molti dei professori che popolano i nostri dipartimenti, pur definendosi teorici, adorano realizzare esperimenti di
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NANOS GIGANTUM
Da AdA a LHC Nel 1960, in un solo anno, Bruno riusc`ı a proporre l’idea, a scrivere il progetto, a farlo approvare, a costruire la macchina e a metterla in funzione! Ovviamente molte persone parteciparono all’impresa e Carlo Bernardini, Giorgio Salvini, Luisa Pancheri e altri vi possono tutt’oggi raccontare molto in proposito. Il primo Anello di Accumulazione, come si chiama questo tipo di macchine acceleratrici di particelle, era talmente piccolo da poter entrare comodamente nella vostra camera da letto: fu battezzato AdA, nome datogli da Touschek in onore della zia. Subito dopo fu il turno di Adone, il suo successore pi`u grande. Oggi tutti conosciamo l’LHC di Ginevra, che altro non e` che l’ultima versione degli strumenti immaginati e prodotti da Touschek mezzo secolo fa. Negli anni a venire furono costruiti anelli di accumulazione in tutto il mondo: negli USA, nell’ex URSS, in Germania, in Inghilterra, in Giappone, in Svizzera, . . . Tutto a partire da Frascati, per diffondersi a Brookhaven, Chicago, Cambridge, Novosibirsk, Ginevra, con la nascita del Tevatron, del LEP, del VEPP e tanti altri. Negli anni ’80, un allievo di Touschek, Carlo Rubbia, insieme a Simon van der Meer, propose la modifica di un acceleratore di protoni (l’SPS del CERN, a Ginevra) per far scontrare protoni e antiprotoni. Nel 1984, le loro idee e le loro scoperte furono premiate con il Nobel. Da dove credete che sia partito tutto questo? Da Bruno Touschek presso i Laboratori Nazionali di Frascati!
Touschek si divertiva spesso a fare caricature. Qui e` ritratta una tipica scena da laboratorio: una discussione sul campo magnetico in base alla regola delle tre dita. Bruno la disegn`o su una pagina del registro delle misure fatte con AdA ad Orsay durante il Simposio sugli anelli di accumulazione tenutosi in quel laboratorio dal 26 al 30 settembre 1966. Fu poi stampato negli atti del simposio come pagina iniziale della sessione Magnetic Detectors - Radiative Corrections.
ogni sorta nella propria casa! Questa tradizione si pu`o far risalire ai tempi di Fermi e passa senza dubbio anche per Touschek. Tornando a Bruno, possiamo affermare che prima di lui la fisica delle particelle adorava investigare la materia sparando particelle contro un bersaglio. Non solo. All’epoca si utilizzavano sempre particelle della stessa carica, per esempio un fascio di elettroni contro un bersaglio di elettroni. Proprio Touschek e Wider¨oe furono i primi a usare particelle di carica opposta, ovvero particelle e antiparticelle dello stesso tipo (elettroni contro positroni, nel loro caso), e a farle scontrare in moto. E` facile capire la differenza: provate a immaginare due macchine che, a piena velocit`a, si scontrano frontalmente, rispetto a una macchina che piomba su un’altra parcheggiata. Anche se questa idea, espressa cos`ı, sembra banale, fino a un certo periodo nella storia della fisica nessuno ebbe il coraggio di provarci: fu Touschek il primo! 10
Bibliografia Vaccaro V.G. A tutta velocit`a. In Asimmetrie, vol. 6 (2008). URL http://tinyurl.com/35t5uzg Amaldi E. The Bruno Touschek legacy: Vienna 1921 - Innsbruck 1978. In CERN Document Server (1981). URL http://cdsweb.cern.ch Bonolis L. e Agapito E. Bruno Touschek e l’Arte della Fisica. INFN Edizioni (2003) AAVV. L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Laterza (2003). A cura di Battimelli G. e Patera V.
Sull’autore Kristian A. Gervasi Vidal (krisgerv@accatagliato. org) si e` recentemente laureato in Fisica alla Sapienza di Roma con una tesi in Fisica Teorica applicata alle infezioni virali nelle Reti Immunitarie Adattive. Ora lavora in IBM Italia sul progetto Smart Grid alla Sapienza.
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RECENSIONI
L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
C OPERTINA
La ricerca italiana in fisica subatomica a cura di Giovanni Battimelli e Vincenzo Patera L’8 agosto del 1951 nasce l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) con il compito di coordinare l’attivit`a scientifica dei centri preesistenti di Roma, Padova e Torino. E` il punto d’arrivo di un percorso storico che ha visto come protagonisti la scuola romana di Fermi e Corbino, quella di Arcetri di Beppo Occhialini e quella dei raggi cosmici di Bruno Rossi a Padova. Un cammino lungo il quale gli italiani hanno dato importanti contributi a livello internazionale nello studio della fisica nucleare, un percorso tristemente rallentato e in parte interrotto dalla guerra e dalle leggi razziali che hanno obbligato all’esilio diversi membri della piccola ma prestigiosa comunit`a italiana. Solo per ricordarne alcuni: Fermi, Segr`e, Rasetti, Rossi, . . . Grazie allo sforzo organizzativo di Edoardo Amaldi e all’interessamento dell’allora presidente del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) Gustavo Colonnetti, questa comunit`a dispersa viene riorganizzata con la creazione di un’unica istituzione: l’INFN. Cinquant’anni dopo, nel Novembre del 2001, con un incontro della durata di tre giorni, l’INFN ha celebrato questa importante ricorrenza: questo libro a cura di Giovanni Battimelli, docente di Storia e Didattica della Fisica, e Vincenzo Patera, docente di Fisica Generale alla Facolt`a di Ingegneria, entrambi alla Sapienza di Roma, raccoglie la maggior parte degli interventi di quel convegno opportunamente rielaborati. La sua pubblicazione e` da inquadrare nell’interessante iniziativa della casa editrice Laterza di una collana dedicata alla storia delle istituzioni scientifiche in Italia e in Europa, in cui compaiono altri volumi sulla storia del CNR e dell’INFN. “L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare” e` un libro in cui si intrecciano la storia e l’attualit`a dell’Istituto: si va dalle testimonianze di quelli che contribuirono alla sua nascita come Giorgio Salvini, a quelle degli scienziati che hanno avuto un ruolo centrale nel suo sviluppo, come l’attuale presidente del CNR Luciano Maiani, il Premio Nobel Carlo Rubbia e il promotore del progetto di apertura del laboratorio del Gran Sasso Antonio Zichichi. Dai loro autorevoli contributi si compone il quadro variegato delle ricerche fondamentali sviluppate dall’INFN negli ultimi cinquant’anni, dalla fisica delle particelle elementari alle onde gravitazionali. Il primo capitolo raccoglie tutti questi racconti, tutt’altro che noiosi, che dipingono una realt`a, quella dell’Italia del dopoguerra, difficile, ma anche piena di speranze e di entusiasmi, in cui i mezzi tecnici a disposizione erano ben diversi da quelli di oggi (si pensi anche solo all’informatica). Una storia che e` saldamente legata a quella dei Laboratori Nazionali di Frascati (LNF), il primo laboratorio nazionale dell’Istituto, in cui vennero da subito realizzati programmi di ricerca d’avanguardia, a partire dallo sviluppo dell’anello di accumulazione AdA negli anni ’60 da parte di Bruno Touschek e dei suoi collaboratori, fino ai suoi pi`u recenti discendenti Adone e DAΦNE. I tre capitoli successivi raccolgono i contributi relativi ai principali indirizzi di ricerca dell’istituto: il mondo subnucleare, la fisica delle astroparticelle e delle onde gravitazionali, il nucleo atomico. Questi capitoli offrono una rassegna dei risultati fondamentali e dei problemi aperti nelle diverse branche, seguendo sempre un approccio storico-concettuale ai vari argomenti. Il grado di difficolt`a e` variabile, ma solo in alcuni articoli l’utilizzo del linguaggio tecnico rende la lettura faticosa a un pubblico profano. In conclusione si tratta di un libro di storia della scienza, utile agli studenti che abbiano seguito almeno un corso di fisica nucleare, ma adatto a un pubblico pi`u vasto e indispensabile per ricostruire i progressi della Fisica Nucleare negli ultimi cinquant’anni e valutare il contributo italiano al suo sviluppo. Grazie a ci`o e` efficace nel dare un’idea dell’importanza e dell’utilit`a di un esperimento molto attuale, il Large Hadron Collider, l’acceleratore di particelle pi`u grande e potente finora realizzato, costruito a Ginevra con il fondamentale contributo italiano fornito proprio dall’INFN. Roberto Garra (Studente di fisica alla Sapienza di Roma) accastampato num. 2, Settembre 2010
I NDICE 1. Premessa 2. L’istituto • L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare oggi • Le origini dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare • Il primo periodo di vita dell’INFN • Cinquant’anni di INFN: un po’ di storia, un po’ leggenda e un poco cabaret 3. Il mondo subnucleare • Simmetrie e asimmetrie nella fisica delle particelle • Le dieci sfide della Fisica Subnucleare. In onore di John S. Bell • L’esplorazione del mondo dei quark • Storia di una scoperta. Il quark top e il ruolo dell’INFN • L’eredit`a di LEP • Oltre il Modello Standard 4. Dall’infinitamente piccolo all’infinitamente grande • La fisica delle particelle elementari senza acceleratori • La fisica degli eventi rari • Cosmologia e particelle • Particelle nello spazio • Onde gravitazionali 5. Il nucleo • Dal modello a shell ai quark • I quark nella materia nucleare • Modelli nucleari
I N BREVE Titolo A cura di Editore Anno Pagine Prezzo
L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Giovanni Battimelli, Vincenzo Patera Laterza 2003 384 25.00 e
Imbrigliare l’energia del Sole Fusione nucleare: una via per l’energia pulita e illimitata Carlo Mancini (Studente di fisica alla Sapienza di Roma)
ome in Cielo cos`ı in Terra: il sogno di avvicinarsi alla volta celeste muove da sempre filosofi, teologi e scienziati. Un esempio e` la Meccanica di Newton, che ha unificato Cielo e Terra affermando che le leggi della dinamica sono le stesse. Oggi abbiamo un sogno non meno ambizioso: produrre energia elettrica usando le stesse reazioni nucleari che permettono al Sole e a tutte le stelle di brillare in cielo. Costruire insomma una piccola Stella sulla Terra! Le stelle brillano perch´e trasformano quattro nuclei di idrogeno, composti da un solo protone, in un nucleo di elio, composto da due protoni e due neutroni. Dato che protoni e neutroni hanno circa la stessa massa, mettendo i nuclei su una bilancia ci aspetteremmo che quello di elio pesi all’incirca come i quattro protoni di partenza. Scopriremmo invece che l’elio pesa meno. La massa apparentemente scomparsa si e` trasformata in energia, secondo la famosa relazione di Einstein ∆E = ∆m · c2 , in cui ∆m e` la quantit`a di massa mancante, ∆E e` la quantit`a di energia prodotta e c e` la velocit`a della luce nel vuoto. Dato il valore elevato di quest’ultima (300.000 km/s), bruciando anche una piccola massa si produce un grandissimo quantitativo di energia.
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Il quarto stato della materia In una stella le reazioni termonucleari appena descritte vengono innescate dalla forza di gravit`a: la stella comincia a comprimersi sotto al proprio peso, fin quando la pressione nel nucleo e` cos`ı grande da portare il nocciolo a superare i 15 milioni di gradi. Normalmente la materia che ci circonda e` elettricamente neutra, perch´e nei nuclei degli atomi sono contenuti protoni carichi positivamente, circondati da un ugual numero di elettroni. A temperature molto elevate, come quelle che si raggiungono nel cuore delle
La sala del reattore FTU: il toroide che contiene il plasma e` all’interno del criostato visibile sulla destra (foto di Silvia Mancini – www. diaporama.it). 12
stelle, gli elettroni hanno un’energia tale che l’attrazione dei nuclei non e` sufficiente a tenerli legati: in tale situazione e` come se coesistessero due gas, uno composto dai nuclei positivi, che nel caso delle stelle sono principalmente di idrogeno e quindi protoni singoli, e l’altro composto da elettroni. Questo stato della materia e` considerato il quarto dopo quelli comuni cui siamo abituati (gassoso, liquido e solido) ed e` chiamato plasma. Normalmente due ioni positivi, nel nostro caso due protoni, si respingono per via dell’uguale carica elettrica. Per permettere una reazione fra loro bisogna farli urtare cos`ı violentemente da superare la repulsione elettrostatica, e` necessario quindi che la temperatura e la densit`a del plasma siano mantenute abbastanza elevate: la prima per far s`ı che l’energia cinetica media dei protoni sia elevata e la seconda affinch´e ci sia un numero di reazioni per unit`a di tempo abbastanza grande da avere un guadagno di energia. Sulla Terra non si possono raggiungere le densit`a dei nuclei interni delle stelle e per compensare e` necessario raggiungere temperature ancora pi`u elevate di quelle che raggiunge il plasma stellare: circa 100 milioni di gradi! Se un gas cos`ı caldo sfiorasse un qualunque recipiente lo fonderebbe, raffreddandosi. Per questo motivo il problema principale della progettazione e costruzione di un reattore a fusione e` il confinamento del plasma.
Tokamak, calde ciambelle al plasma Uno dei modi con cui si pu`o risolvere il problema e` utilizzare campi magnetici. Una particella carica in moto all’interno di un campo magnetico subisce una forza che la costringe su una traiettoria curva. Visto che il plasma e` costituito da un gas di protoni positivi e di elettroni negativi, si possono costruire dei tori (detto in parole povere, delle ciambelle) di campo magnetico in cui intrappolare un plasma in movimento, esattamente come avviene in uno degli esperimenti in cui l’ENEA di Frascati e` impegnato: il “Frascati Tokamak Upgrade” (FTU). Ne parliamo con Giuseppe Mazzitelli, responsabile del Laboratorio – Gestione Grandi Impianti Sperimentali dell’“Unit`a Tecnica Fusione” di Frascati, che di FTU e` direttore dal 1999. “Macchine di questo tipo si chiamano tokamak, acronimo russo che deriva dalle iniziali delle parole della frase camera toroidale con bobine magnetiche. La tecnologia dei tokamak e` quella pi`u promettente per realizzare una fusione nucleare controllata e stabile, ed e` una delle pi`u studiate da quando i ricercatori russi stupirono il mondo annunciando durante una conferenza svoltasi a Novosibirsk nel ’68 di aver raggiunto la ragguardevole temperatura di
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IL RICERCATORE ROMANO
Giuseppe Mazzitelli, direttore di FTU, ci spiega il funzionamento del reattore di fronte a una foto dell’interno del toroide (foto di Silvia Mancini – www.diaporama.it).
10 milioni di gradi.” Mazzitelli ci accoglie nella sala controllo del tokamak, all’interno dei laboratori dell’ENEA di via Enrico Fermi a Frascati. Davanti a un modellino dell’esperimento ci spiega che in realt`a un futuro reattore non funzioner`a con l’idrogeno, ma con due suoi isotopi (un isotopo di un elemento e` un atomo con lo stesso numero di protoni, ma con un diverso numero di neutroni): il deuterio e il trizio. Il deuterio e il trizio allo stato gassoso sono iniettati all’interno della ciambella e successivamente ionizzati e per dar luogo al plasma. Una volta raggiunto lo stato di plasma diventa fondamentale il campo magnetico che lo confina. Su FTU il campo e` generato con delle bobine di rame tenute a −196 ◦ C e raggiunge un’intensit`a di 8 Tesla: per dare un’idea il campo magnetico della Terra e` inferiore a un millesimo di Tesla. Quando si innescano le reazioni di fusione fra trizio e deuterio vengono liberati molti neutroni con grande energia, che, essendo neutri, non risentono del campo magnetico, che sono fermati in una zona chiamata mantello dove interagendo con il litio danno luogo alla produzione del trizio e contemporaneamente ne provocano un innalzamento della temperatura. L’energia e` estratta dal tokamak proprio raffreddando questo mantello. Sul JET (il tokamak europeo in funzione in Inghilterra ) in un esperimento deuterio-trizio con una potenza in ingresso di circa 20 MW ne sono stati prodotti circa 16MW dalle reazioni di fusione.
Le centrali nucleari del futuro Il primo tokamak in grado di produrre pi`u energia di quella che consuma per funzionare e` per`o gi`a stato progettato: si chiama ITER, “International Thermonuclear Experimental Reactor”, in costruzione Provenza e dovrebbe produrre 10 volte l’energia che consuma. Sar`a costruito con l’esperienza fatta sui tokamak oggi esistenti dai paesi dell’Unione Europea pi`u la Svizzera insieme con Giappone, Cina, Russia, Stati Uniti, India e Corea del Sud.
“ITER ha come obiettivo principale quello di dimostrare che questo tipo di centrali e` commercialmente realizzabile.” Non sappiamo quanto ci vorr`a, ma siamo abbastanza sicuri che questo sar`a uno dei modi con cui verr`a prodotta energia in grande quantit`a in futuro. Il nucleare a fusione potr`a infatti produrre grandi quantit`a di energia in modo continuo come le centrali nucleari a fissione gi`a oggi esistenti, pur essendo pulito e sicuro. Pulito perch´e, anche se si tratta di energia ottenuta grazie a una reazione nucleare, non produce scorie radioattive: il risultato del processo e` l’elio, quello che si usa per gonfiare i palloncini. Al contrario le centrali nucleari di qualsivoglia generazione funzionano spaccando atomi di uranio, che decade in stati instabili anch’essi radioattivi. Sicuro perch´e per i tokamak non ci sono nemmeno rischi legati alla sicurezza, un’eventuale centrale nucleare a fusione non potr`a mai trasformarsi in una nuova Chernobyl: anche se se ne perdesse il controllo, e` sufficiente spegnere il campo magnetico che il plasma non e` pi`u confinato e le reazioni nucleari si interrompono immediatamente. Non si deve poi dimenticare che l’uranio, come il petrolio, e` disponibile sulla terra in quantit`a limitate, mentre il deuterio pu`o essere estratto dall’acqua: da cinquecento litri di acqua si estrae abbastanza deuterio per coprire il consumo di energia elettrica di un cittadino europeo per tutta la sua vita!
“Il futuro e` qui a Frascati” Dopo che Mazzitelli ci ha parlato di ITER ci viene spontaneo chiedergli quale sar`a il futuro del tokamak di Frascati. Per un istante gli si illuminano gli occhi e ci dice che l’ENEA ha proposto un nuovo tokamak, FAST, la cui costruzione potrebbe iniziare nel 2013. Un esperimenti di supporto a ITER e nel quale si vorrebbero anche studiare soluzioni avanzate per l’interazione plasma–parete utilizzando litio liquido. Il vantaggio e` che un liquido, anche se sottoposto ad uno stress grande, e` in grado di ritornare nella posizione di equilibrio nel momento in cui la forza che lo deforma cessa. Insomma, per usare le parole di Mazzitelli, “il futuro e` qui a Frascati!”
Bibliografia Sito del Dipartimento Fusione, Tecnologie e Presidio Nucleari dell’ENEA: www.fusione.enea.it/ Progetto ITER: www.iter.org/sci/whatisfusion Ufficio Stampa dell’ENEA: tinyurl.com/2vdwt2p Galleria fotografica: tinyurl.com/2wza6u4
Sull’autore Carlo Mancini (carlo@accatagliato.org) e` laureando in fisica delle particelle elementari presso la Sapienza di Roma ed e` fra i fondatori di accatagliato.org.
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AMADEUS La sinfonia delle forze fondamentali Kristian Piscicchia (Universit`a Roma Tre – Laboratori Nazionali di Frascati)
i tutte le propriet`a che associamo alla materia, quella con la quale ognuno ha certamente pi`u dimestichezza e` la massa. Sin da bambini la nostra massa e la sua interazione con quella della Terra attraverso la forza di gravit`a ci rendono difficile gattonare e poi – lentamente – alzarci in piedi. In qualche modo questa e` la prima esperienza di fisica di ogni essere umano. Spesso il senso comune porta addirittura a identificare la massa di un oggetto con l’oggetto stesso, ci`o che lo rende consistente e tangibile, sebbene sia soltanto una delle propriet`a quantistiche delle particelle che lo compongono. Ma vi e` mai capitato di domandarvi da dove viene la massa, qual e` la massa dei costituenti elementari della materia, e in che modo e` legata a quella delle pi`u familiari particelle delle quali siamo fatti?
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L’enigma del salto di massa La massa dei protoni differisce di poco da quella dei neutroni, indice del fatto che i due sapori (ovvero, i due tipi di quark) di cui sono costituiti sono molto simili. Tuttavia la massa di ciascuno dei tre quark costituenti un protone e` un centinaio di volte pi`u piccola della massa del protone stesso! Quale e` dunque il meccanismo responsabile di questo salto di massa? Come spesso avviene in fisica, la risposta a questo interrogativo e` celata in una simmetria del modello matematico adottato. Nel 1960 Nambu e Jona-Lasinio ipotizzarono che la teoria dell’interazione forte dei quark (nota come cromodinamica quantistica) dovesse possedere una tale simmetria, proprio in virt`u del fatto che la massa di u e d e` tanto pi`u piccola di quella delle particelle da essi composte, cos`ı da poter essere considerata nulla relativamente a questa. La teoria che ha avuto origine da questa straordinaria scoperta, la teoria della perturbazione chirale, ha fornito negli anni una gran quantit`a di predizioni sull’interazione adronica a bassa energia, la cui verifica sperimentale e` il banco di prova delle teorie stesse. In questo contesto i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN e l’acceleratore DAΦNE costituiscono un’occasione unica di verifica sperimentale, della quale gli esperimenti DEAR e SIDDHARTA sono la dimostrazione, ed AMADEUS il prossimo futuro.
DAΦNE e l’esperimento AMADEUS
Interno della Sala DAFNE, situata nei Laboratori Nazionali di Frascati (da http://www.lnf.infn.it).
La materia cosiddetta ordinaria, della quale e` costituito ci`o che ci circonda e che, per essere prodotta, non necessita di un esperimento di alte energie n´e di un evento astrofisico, e` composta da elettroni, protoni e neutroni. I primi vengono oggi considerati particelle elementari, ossia non vi e` alcuna evidenza che essi abbiano una struttura interna pi`u complessa. Al contrario, protoni e neutroni ospitano al loro interno una fisica vivace: ciascun protone o neutrone e` costituito da tre quark (di tipo u e d) che interagiscono fra loro scambiando gluoni (dall’inglese glue, ossia colla). 14
AMADEUS studier`a l’interazione di kaoni con protoni e nuclei leggeri, per verificare la possibilit`a che la forte interazione attrattiva dei kaoni negativi con i protoni, possa dare origine a stati quasi legati kaone-nucleo. I kaoni sono particelle strane che non si incontrano nella materia ordinaria, poich´e la loro vita media e` troppo breve. Essi decadono appena un istante dopo essere stati prodotti, in un tempo dell’ordine del miliardesimo di secondo. In virt`u della loro massa, circa la met`a di quella del protone, i kaoni giocano un ruolo molto particolare nella teoria della perturbazione chirale. Questo e` il motivo per cui lo studio delle loro interazioni riveste cos`ı grande importanza. DAΦNE e` una sorgente eccezionale di kaoni di bassa energia: l’acceleratore e` costituito da due anelli lunghi circa cento metri, nei quali circolano, in versi opposti, elettroni e positroni (le antiparticelle degli elettroni). Elettroni e positroni, mantenuti in orbita da un complesso sistema di magneti, vengono fatti collidere in un punto detto di interazione, dando luogo alla formazione di circa duemila parti-
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IL RICERCATORE ROMANO
celle φ al secondo. Queste sfuggevoli particelle hanno vita media brevissima (molto minore di quella dei kaoni) e decadono a loro volta in una coppia di kaoni. Ottenuta una sorgente di kaoni, c’`e da affrontare il problema della scelta del bersaglio. Nel caso di AMADEUS, la scelta verte su bersagli costituiti da nuclei leggeri, nello specifico protoni (nuclei di idrogeno), nuclei di elio e del suo isotopo elio-3 (costituito da due protoni e un neutrone). La scelta del bersaglio e` dettata da necessit`a pratiche. Nello specifico, l’utilizzo di atomi pi`u complessi introdurrebbe complicazioni nell’interpretazione dei dati. Il nucleo di carbonio contiene, ad esempio, sei protoni e sei neutroni. Trattare l’interazione a molti corpi kaone-nucleo necessiterebbe dell’introduzione di parametri e ipotesi aggiuntivi, rendendo proibitiva l’analisi delle particelle prodotte. I kaoni negativi provenienti dal punto di interazione penetreranno il bersaglio e, rallentati dagli urti con le molecole del gas, verranno catturati in un’orbita atomica spodestando un elettrone. Cadranno, poi, su orbite via via meno eccitate emettendo fotoni fin quando, eventualmente, l’interazione forte kaonenucleo dar`a luogo alla formazione di un nucleo kaonico. L’eventuale stato kaone-nucleo e` destinato a una vita brevissima e decade rapidamente in una serie di particelle figlie. Bisogna identificare proprio questi prodotti di decadimento e misurare le loro propriet`a. Il punto di partenza in questo senso sar`a fornito da un complesso rivelatore di nome KLOE, che sar`a centrato sul punto di interazione e permetter`a di ricostruire traiettoria, velocit`a, energia, massa e cos`ı via, delle particelle prodotte, indipendentemente dalla loro direzione.
Alcuni dei componenti della collaborazione AMADEUS, davanti agli schermi della sala controllo del BTF, Beam Test Facility (cortesia personale dell’autore).
Dalla teoria all’esperimento alla teoria La teoria dell’interazione forte a bassa energia trarr`a dall’esperimento AMADEUS evidenze essenziali per il suo sviluppo. La scoperta o meno della formazione di stati legati kaone-nucleo dirimer`a un dibattito annoso, aprendo nuovi scenari in ambiti inaspettati, come, ad esempio, la stabilit`a delle stelle compatte. Dalle particelle elementari agli astri, il percorso della ricerca pu`o sembrare tortuoso e accidentato, ma ad ogni passo l’orizzonte appare pi`u chiaro e un pochino pi`u ampio.
Bibliografia Halzen F. e Martin A.D. Quarks and Leptons: An introductory Course in Modern Particle Physics. Wiley (1984) Thomas A.W. e Weise W. The Structure of the Nucleon. Wiley-VHC (2001) Ricerca a DAFNE: www.lnf.infn.it/acceleratori/ Esperimento SIDDHARTA: www.lnf.infn.it/ esperimenti/siddharta Esperimento DEAR: www.lnf.infn.it/esperimenti/ dear Letter of intent dell’esperimento AMADEUS: tinyurl.com/ 3x3fmrg
Sull’autore
Prototipo del sistema di trigger di AMADEUS: avr`a lo scopo di identificare i kaoni provenienti da DAFNE dalle altre particelle prodotte (cortesia personale dell’autore).
Kristian Piscicchia (kristian.piscicchia@lnf. infn.it) si e` laureato in Astrofisica alla Sapienza di Roma con una tesi sui sistemi autogravitanti. Attualmente e` dottorando presso l’Universit`a degli Studi Roma Tre e svolge attivit`a di ricerca presso gli esperimenti SIDDHARTA e AMADEUS dei Laboratori Nazionali di Frascati.
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L’osservatorio geodinamico di Rocca di Papa Dalla ricerca alla didattica: un affascinante viaggio “al centro della Terra” Roberto Garra (Studente di fisica alla Sapienza di Roma)
’Osservatorio Geodinamico di Rocca di Papa fu costruito nel 1886 su iniziativa di Michele Stefano De Rossi, che oggi definiremmo un amatore della sismologia. Gi`a dal 1873 De Rossi era impegnato nell’organizzazione di una rete sismica nazionale, all’epoca ancora a carattere privato e basata sul lavoro di volontari sparsi per l’Italia. E` per`o solo nel 1887, dopo il disastroso terremoto all’Isola d’Ischia, che la Reale Commissione Geodinamica presieduta dal fisico Pietro Blaserna affid`o all’Ufficio Centrale di Meteorologia (allora non esisteva ancora l’Istituto Nazionale di Geofisica) l’incarico di istituire una rete sismica nazionale. Fu allora accolta la proposta di De Rossi di costituire un Osservatorio permanente a Rocca di Papa. Tale localizzazione era legata alle caratteristiche sismologiche del territorio, che si trova all’interno di quello che era l’apparato vulcanico dei Colli Albani. Il nuovo Osservatorio, insieme a quelli di Catania e Casamicciola, era uno dei tre di prim’ordine istituiti dalla commissione Blaserna come cardini del nascente servizio sismico nazionale ed era quindi fornito dei migliori sismografi dell’epoca. Con il tempo l’Osservatorio si afferm`o come uno dei poli mondiali della sismologia, con la direzione di Giovanni Agamennone e l’impiego di autorevoli personalit`a del settore, tra cui uno dei fondatori della moderna sismologia, Fusakichi Omori. Nel 1936 l’Osservatorio pass`o in gestione al neonato Istituto Nazionale di Geofisica, ma pat`ı dei fatti drammatici del periodo: con l’inizio della guerra le attivit`a dell’istituto subirono un forte rallentamento e nel 1944 la sede di Rocca di Papa venne occupata dalle truppe tedesche. Solo nel 1951 furono riprese le attivit`a di monitoraggio che si svolgono tuttora, nell’ambito della moderna rete sismica nazionale.
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L’Osservatorio Geodinamico sorge sulla parte pi`u alta di Rocca di Papa, da cui si gode di una vista unica sulla Capitale e su tutti i Colli Albani. 16
Da Osservatorio a Museo di Geofisica Il 26 Febbraio del 2005 viene inaugurato un Museo Geofisico all’interno dei locali dell’Osservatorio: un “viaggio al centro della Terra”, come titola il famoso libro di Jules Verne e come e` opportunamente rievocato da una locandina cinematografica all’ingresso. Il Museo, ospitato in uno dei luoghi natali della sismologia italiana, e` un affascinante connubio di divulgazione e storia di una disciplina che ha ancora un gran numero di misteri da svelare: la fisica della terra solida. E` proprio su questo doppio filo tra storia e didattica che si sviluppa il percorso museale, tra supporti interattivi sul magnetismo terrestre e la composizione interna della Terra, l’esposizione di strumenti di misura antichi appartenenti all’osservatorio, e molto altro. Un vero e proprio invito alla scienza in generale, intesa come disciplina dinamica e creativa in continuo progredire, attraverso l’esposizione storica delle teorie sull’interno della Terra, dell’evoluzione degli strumenti per studiarla, del metodo d’indagine sperimentale attraverso giochi e laboratori didattici. Il Museo si estende su tre piani e in ogni sala c’`e un coinvolgente intreccio di supporti ludico–interattivi, pannelli didattici e strumenti storici. Come in un viaggio all’interno del mondo della Scienza, nella prima sala ci sono diversi pannelli sul metodo scientifico, in cui la riflessione e` concentrata sulle metodologie attraverso cui e` possibile indagare la struttura interna della Terra. Sono presentate quelle dirette, basate sull’analisi di dati provenienti dalla superficie della Terra (cfr. Figura 2 a destra), e quelle indirette, che cercano di ricostruire i nessi di causalit`a tra i fenomeni osservabili e quelli profondi, inaccessibili all’uomo (cfr. Figura 2 al centro). Il percorso di conoscenza della Terra prosegue nel regno del magnetismo terrestre con un gioco chiamato “Cerca il Polo”, visibile a sinistra nella Figura 2: in una semisfera nera e` contenuto un magnete che pu`o essere spostato da un giocatore, provocando la variazione del polo magnetico della seconda semisfera, dove e` rappresentato un mappamondo. L’altro giocatore dovr`a individuare la nuova posizione del polo magnetico tramite una bussola. La seconda sala e` dedicata agli strumenti sismografici e vi si possono osservare in presa diretta le misure della stazione sismica, oltre che constatare l’evoluzione tecnica di questi strumenti, dagli esemplari storici ai pi`u moderni accelerometri. Al secondo piano ci si immerge nella storia delle teorie sulla composizione interna della Terra e del conflitto tra fluidisti e solidisti, un dibattito che vide comparire nomi autorevoli della fisica–matematica del XIX secolo, da Poisson a Leibnitz ad Amp`ere.
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IL RESTO DEL NEUTRINO
Alcuni dettagli delle esposizioni museali: a sinistra il gioco “Cerca il Polo” sul magnetismo terrestre; a destra un carotaggio della crosta; al centro gli studi sulla composizione delle meteoriti, simile a quella degli strati della crosta terrestre (da museoroccadipapa.ingv.it).
Dalla ricerca alla divulgazione: quattro chiacchiere con il direttore Calvino Gasparini Tra i promotori dell’istituzione del Museo Geofisico e` stato l’attuale direttore Calvino Gasparini, ricercatore in forze all’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) e profondo conoscitore dell’attuale situazione della sismologia italiana. Quando e perch´e avete pensato di aprire un Museo geofisico proprio nell’osservatorio storico di Rocca di Papa? In verit`a i termini del problema erano invertiti: avevamo un edificio storico nel quale con l’avvento della telematica (trasmissione a distanza dei dati) non era pi`u necessario che vi risiedessero delle persone. L’edificio era stato progressivamente abbandonato e popolato dai soli strumenti e dalle rare visite dei tecnici quando era rilevato qualche malfunzionamento. Gli alti costi di conservazione e manutenzione dell’immobile mi suggerirono di farlo tornare a vivere per le persone. Ma cosa farlo diventare? La cosa pi`u semplice e` stata quella di lasciargli raccontare la sua ricca storia di luogo di ricerca e studio. Quindi un museo sui generis dove non si esponessero collezioni o altro, ma si mostrassero le idee che tra le proprie mura si sono sviluppate in risposta alla domanda: che cosa c’`e dentro la Terra? Nel difficile lavoro di coniugare il rigore e lo specialismo con una buona divulgazione, cosa significa dirigere un museo scientifico? Dirigere un museo di questo tipo significa un poco raccontare la propria storia di ricercatore cos`ı come quella dell’edificio: dalla formazione iniziale all’acquisizione delle ricerche passate, proseguendo con le ricerche intraprese nella propria carriera scientifica fino alla validazione dei modelli acquisiti internazionalmente. La buona divulgazione si raggiunge utilizzando lo stesso metodo scientifico: va sempre verificato ci`o che si dice, ponendosi la domanda “chi ci ascolta ha recepito esattamente quello che volevamo dire?” Nel nostro caso la grande difficolt`a sta nell’enorme variet`a dell’uditorio, dai bambini agli adulti.
All’Osservatorio di Rocca di Papa si svolge anche il monitoraggio della concentrazione di Radon nelle falde. Alla luce dello stato attuale della ricerca sull’utilizzo di segnali precursori per la previsione dei terremoti, si pu`o considerare l’osservazione dell’anomalia del Radon come un precursore sismico? Il Radon e` un gas nobile radioattivo, incolore, inodore, insapore, che si manifesta naturalmente come prodotto di decadimento del radio. La possibilit`a che l’emissione di Radon possa essere considerata come elemento precursore dei terremoti e` stata indagata soprattutto negli anni ’70 e ’80, senza per`o risultati affidabili, e prosegue ancora oggi. L’ipotesi di fondo e` che il Radon sia collegato ai terremoti a causa del comportamento che le rocce hanno quando sono sottoposte a tensione. Una teoria detta della dilatanza, sperimentata in laboratorio negli anni ’60, afferma che nelle rocce, prima della rottura, si formano numerose, piccolissime fratture e porosit`a, che causano un aumento di volume complessivo. Tale volume aggiuntivo si perde nell’ultimo stadio dell’accumulo di energia, poco prima dell’inizio dello scorrimento della frattura, richiedendo l’espulsione dalle porosit`a delle rocce di vari liquidi e gas, tra cui il Radon, che si liberano attraverso le fratture. Come tutti i fenomeni fisici, il terremoto dovrebbe, con un certo grado di probabilit`a, essere previsto, ma a tutt’oggi e` ancora un mistero: le ragioni di tale situazione sono insite nella difficolt`a di non poter studiare direttamente la sorgente sismica.
Bibliografia Martin F.F. e Calcara G. Per una storia della geofisica italiana. Springer (2010) Pagliuca N.M., Gasparini C. e Pietrangeli D. Il Museo Geofisico di Rocca di Papa: tra divulgazione e ricerca scientifica. In Annali di Museologia Scientifica e Naturalistica, vol. 3, pp. 20–21. Universit`a degli Studi di Ferrara (2007) Gasparini C. L’Osservatorio di Rocca di Papa rinasce Museo. In Professione Geologo, vol. 10:12–15 (2005) Ghosh D., Deb A. e Sengupta R. Anomalous radon emission as precursor of earthquake. In Journal of Applied Geophysics, vol. 69:67–81 (2009) Garra R. Prevedere i terremoti e` possibile? I precursori sismici. In Il Ricercatore Romano (mag 2010). URL http://tinyurl.com/2dyv2tq
Sull’autore Roberto Garra (rolinipame@yahoo.it) e` studente specializzando in Geofisica alla Sapienza di Roma e scrive per il sito degli studenti accatagliato.org.
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ESPERIMENTI
L’acqua che non cade
S CHEMA
Come non bagnarsi sotto un bicchiere pieno capovolto di Carlo Cosmelli (Docente di Fisica alla Sapienza di Roma) oprire la bocca del bicchiere con il tulle avendo l’accortezza di tenderlo bene, utilizzando l’elastico per fissarlo fermamente nella sua posizione. Versare lentamente dell’acqua nel bicchiere attraverso il tulle, fino a riempirlo a met`a circa. Poggiare un cartoncino sopra il tulle, in modo da tappare il bicchiere. Tenendo ben fermo bicchiere e cartoncino girare il bicchiere sotto-sopra. Tenendolo il posizione verticale, togliere lentamente mano e cartoncino. Si osserva che l’acqua contenuta nel bicchiere non esce, bench´e in precedenza fosse passata attraverso le maglie del tulle. Se ora il bicchiere viene leggermente inclinato l’acqua in esso contenuta comincer`a a uscire, prima lentamente, poi tutta insieme.
C
Suggerimenti e astuzie
M ATERIALE
Fare attenzione a che il tulle, una volta stretto bene dall’elastico, sia ben aderente al bordo del bicchiere. Se, attraverso una piccola piega, venisse lasciato uno spazio aperto, l’esperimento non riuscirebbe perch´e tutta l’acqua cadrebbe attraverso quel foro. Se non si ha sotto mano un pezzo di tulle si pu`o usare una qualsiasi retina in materiale plastico a maglie strette, eventualmente ripiegata una o due volte per rendere la trama della rete pi`u fitta.
• 1 bicchiere a sezione circolare • 1 pezzo di tulle o di retina a maglie strette • 1 elastico • 1 pezzo di cartoncino o di carta plastificata • Acqua
Approfondimento
A RGOMENTI
Per spiegare quello che avete visto e` necessario tener conto di vari fenomeni: la pressione dell’aria che agisce sulla parte inferiore dell’acqua, la pressione dell’aria all’interno del bicchiere, il peso dovuto all’acqua e la tensione superficiale. Il modo migliore per capire cosa accade e` quello di partire da un altro esperimento: prendete una cannuccia e immergetela in una vaschetta d’acqua, tappatene un’estremit`a con un dito e tiratela fuori. Osserverete che l’acqua contenuta nella cannuccia non esce. Se togliete il dito la cannuccia si svuota. L’acqua contenuta nella cannuccia ha un peso e come tutti gli oggetti tende a cadere sotto la forza di attrazione gravitazionale esercitata dalla Terra. Se la cannuccia e` aperta l’acqua cade, come ci aspettiamo, ma se ne tappiamo un’estremit`a l’acqua non esce, perch´e il suo peso e` controbilanciato dalla differenza tra la pressione dell’aria esterna (la pressione atmosferica) e la depressione interna (una pressione inferiore a quella atmosferica) che si forma dentro la cannuccia. Se proviamo a inclinare la cannuccia tappata vedremo che l’acqua non esce. Questo accade perch´e la cannuccia ha un piccolo diametro e a causa delle forze di tensione superficiale non d`a possibilit`a all’aria di entrare. Tornando al nostro esperimento, il tulle che mettiamo sopra il bicchiere e` una rete a maglia fine, talmente fine che a causa della tensione superficiale dell’acqua per ogni buco o passa acqua o passa aria. Questo comportamento di ogni buco ci ricorda quello della cannuccia, cos`ı possiamo immaginare il bicchiere pieno d’acqua come formato da tante cannucce attaccate, riempite anche loro d’acqua. Quando togliamo la mano da sotto il bicchiere l’acqua contenuta in ogni cannuccia immaginaria scende verso il basso a causa della forza di attrazione gravitazionale, di conseguenza aumenta il volume dell’aria contenuto nella parte alta del bicchiere, e la pressione che questo esercita sull’acqua diminuisce. Proprio come accade per la singola cannuccia, la pressione atmosferica che spinge l’acqua verso l’alto e` maggiore di quella che, da dentro il bicchiere, la spinge verso il basso. Alla fine la risultante delle forze di pressione e gravitazionale e` nulla e l’acqua, contenuta in ogni singola cannuccia immaginaria del nostro bicchiere, non cade.
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• Tensione superficiale • Gravit`a • Pressione e vuoto
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Impaginazione ed editing: Alessio Cimarelli Grafica: Silvia Mariani In copertina: foto di Silvia Mancini (www.diaporama. it), grafica di Carlo Mancini
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