Scienza

A contatto con l'universo

La visita nel Laboratorio del Gran Sasso, insieme al ricercatore Adriano Di Giovanni, a contatto con l’Universo, fatto di materia, antimateria e “materia oscura”.

Questo casco lo dobbiamo indossare?
Sì, per motivi di sicurezza, siamo in regime di cantiere. Allora, siamo entrati con la navetta. Ora vediamo tre sale: la C, dove sono stati allestiti Opera e Borexino, B, dove troveremo Icarus e WARP del professor Rubbia, e la sala A, dove ci sono 4 esperimenti. Questo che vediamo davanti a noi è Opera, uno degli esperimenti più grandi. L’apparato è stato concepito per studiare “l’oscillazione dei neutrini” a partire da un fascio di neutrini prodotti al CERN di Ginevra. Essi sono tutti dello stesso tipo: muonici. Qui abbiamo osservato un candidato dell’”oscillazione” cioè abbiamo bloccato un neutrino di tipo diverso da quello che è stato mandato. Dunque, siamo quasi sicuri che il neutrino ha una massa.

In che rapporto è con l’atomo, il neutrino?
L’atomo è composto nel nucleo da protoni e neutroni. Intorno girano gli elettroni. I neutrini sono particelle che non fanno parte della materia di cui sono fatte le cose, sono particelle subnucleari: tuttavia possono essere prodotti dai decadimenti “beta”, in cui un neutrone all’interno di nucleo si converte in un protone emettendo un elettrone e per l’appunto un neutrino. Questi meccanismi sono la base della produzione di energia nelle stelle e dunque, indirettamente, sulla nostra vita.

Che intende? Che da sole non possono determinare una reazione nucleare?
E’ possibile che un neutrino venga assorbito da un neutrone all’interno di un nucleo di un atomo convertendolo in un protone ed emettendo un elettrone: anche in questo caso si parla di decadimento beta. I decadimenti beta coinvolgono però solo neutrini di tipo elettronico.

Può scatenare cioè una reazione nucleare…
Purtroppo oggi c’è molta confusione e preoccupazione attorno il concetto di “reazione nucleare”, perché a questo associamo immagini per lo più negative. Quello che dovremmo capire e che la vita sul nostro pianeta è possibile perché il nostro Sole brilla e scalda grazie alle reazioni nucleari che avvengono al suo interno e in tali reazioni giocano un ruolo fondamentale i neutrini.

Può dare il contributo, allora.
In natura esistono molti processi che possono determinare la produzione di neutrini: i decadimenti beta sono responsabili della produzione di neutrini elettronici, le interazioni dei raggi cosmici con gli strati alti della nostra atmosfera possono produrre neutrini di tipo muonico e tauonico, nelle esplosioni di Supernova vengono emessi tutti e tre i tipi.

Si può definire il neutrino “energia pura”?
No, perché oggi siamo ragionevolmente certi che il neutrino abbia una massa, se pure estremamente piccola se confrontata con le masse tipiche delle altre particelle note.

Perché in linea di massima non ha una massa?
Ricordiamo l’equazione di Einstein. L’energia è la stessa cosa della massa. Il fotone potrebbe essere definito pura energia, perché non ha una massa e dunque è tutta energia.

Ora siamo qui di fronte all’apparato di Opera, che è come un enorme hardware di computer.
E’ come se fosse una macchina fotografica. Fatto da lastrine di emulsione fotografica, intervallate da lastrine di piombo. Il neutrino che arriva è il proiettile, il piombo il bersaglio, il neutrino colpisce il bersaglio e vengono emessi frammenti, particelle secondarie dell’interazione, che possono attraversare tutto l’apparato.

Stanno arrivando anche ora? Non li vediamo, ma stanno arrivando e possono oltrepassare tutte queste strutture…
Sì, anche perché hanno fatto 730 km sottoterra, devono uscire. I neutrini prodotti al CERN di Ginevra nel progetto CNGS (Cern Neutrino beam to Gran Sasso) dopo aver percorso 732 km sotto terra, arrivano qui Laboratori e ad attenderli ci sono OPERA ed ICARUS.

Scusi la domanda banale, ma da dove escono? Vengono instradati in un tunnel o “cono di uscita”?
No, viaggiano sotto terra, non c’è bisogno di tunnel. Per direzionarli, bisogna direzionare le particelle “genitore” che poi, decadendo, producono neutrini. Siccome si vuol essere certi di avere un flusso intenso di neutrini di un determinato tipo, è necessario produrli attraverso decadimenti di determinate particelle che possono essere opportunamente focalizzate. Quindi, collimando, dando un angolo opportuno ai “genitori” dei neutrini, si è certi che loro arriveranno in poco più di due millesimi di secondo ai Laboratori.

Quindi questa sala è tutta invasa da neutrini…
Ginevra ce ne manda una ventina di miliardi al giorno. Il Sole 60 miliardi al secondo, per centimetro quadrato. Siamo sempre bombardati da neutrini.

Torniamo all’esperimento e al macchinario di Opera.
Qui alcuni neutrini si fermano. Entrano in funzione i rivelatori che tracciano le particelle prodotte dal neutrino, per lo più cariche elettricamente. Si traccia la traiettoria, si ricostruisce all’indietro e si risale al mattoncino che contiene l’evento, per selezionarlo.

Come fate?
Il mattoncino viene estratto da un robot, che si muove lungo l’apparato, dopo le verifiche, per vedere se effettivamente dentro c’è il neutrino o no, viene portato fuori e mandato ai laboratori di scanning, per esaminare la traccia impressa sulle lastrine fotografiche nel mattoncino. Bisogna farlo velocemente, perché potrebbe essere colpito dai reggi cosmici, non essendoci più la protezione della montagna. Se la segnatura non è quella attesa, vuol dire che ha interagito un altro neutrino. I neutrini sono solo di tre tipi.

Ma il neutrino non si potrebbe trasformare in un quarto tipo?
No. Esistono anche teorie che ammettono neutrini estremamente pesanti, ma sterili e molto diversi dai tre standard. Non hanno “etichetta”. Opera ha visto un evento di “oscillazione”, ma ne servono 4-6-8, dipende dai parametri. Su 10 miliardi al giorno che vengono inviati, ne interagiscono solo una ventina all’interno dei mattoncini. In 200 giorni estraiamo circa 4 mila mattoncini, in cui ci possono essere al massimo 1 o 2 eventi che ci interessano.

Per il momento, dunque, sappiamo che il neutrino ha una massa.
Sì e siccome conosciamo solo il 5-6 per cento della materia che compone l’universo, possiamo aggiungere un altro 2-3% della materia mancante, che va sotto il nome di materia oscura. E sarebbe un contributo non trascurabile, ma non sufficiente a giustificare il profilo che oggi osserviamo dell’Universo.

Proseguiamo il nostro giro, allora.
Qui c’è Borexino. Studia anche i neutrini del Sole. E’ una sfera di acciaio che contiene oltre mille tonnellate di liquido particolare detto scintillatore. Per capire come funzione il Sole.

Cos’è?
Si tratta di un idrocarburo molto simile ad una benzina ultra raffinata: quando viene colpito da una particella emette un lampo di luce che viene convertito attraverso una matrice di fotomoltiplicatori in segnale elettrico, per capire quale era l’energia della particella che ha agito in questa sfera. Lo studio è sempre dell’informazione, per lo più energia, lasciata dalla particella.

Qui regge tutto. Quando c’è stato il terremoto è successo qualcosa?
No, gli esperimenti sono costruiti assumendo parametri antisismici 5 volte più stringenti rispetto alle costruzioni civili. Qui il terremoto si è avvertito 5 volte meno rispetto alla superficie. E gli esperimenti sono rimasti tutti attivi. Questo invece è Icarus, l’esperimento del premio Nobel Carlo Rubbia. E’ costituito da due grosse serbatoi criogenici che contengono argon allo stato liquido e viene utilizzato per rivelare e tracciare le particelle.

Finalizzato a cosa?
Warp, altro esperimento del professor Rubbia, è dedicato allo studio della materia oscura, di cui sappiamo solo che è fatta di particelle molto pesanti, che possono interagire con le particelle della materia tradizionale. Per questo motivo sono stati costruiti esperimenti come questo in cui ci si aspetta che particelle di materia oscura, urtando contro nuclei di Argon emettano un segnale. Esaminando il segnale, si potrà riuscire ad analizzare le caratteristiche di quella particella e indirettamente capire le proprietà della materia oscura. In questo laboratorio ci sono quattro progetti realizzati per studiare la materia oscura: WARP, Dama/Libra, Cresst 2 e Xenon.

Da quanti anni vanno avanti?
Dama/Libra da oltre12 anni ed attualmente è l’unico esperimento al mondo che ha fornito un segnale interpretabile come interazione tra materia ordinaria e materia oscura. Questa invece è l’ultima Sala, dove c’è l’LVD del prof. Zichichi, esperimento dedito allo studio delle esplosioni di Supernovae attraverso la rivelazione dei neutrini. Una stella che ha una massa compresa tra 8 e dieci volte la massa solare alla fine della propria vita, tipicamente esplode. L’energia della stella sfugge sottoforma di neutrini per il 99%. Questo esperimento deve essere in continua presa dati, perché l’esplosione delle Supernova nella nostra Galassia in media è ogni 35 anni e dura 10-20 secondi dal punto di vista dei neutrini.

Gli altri anche sono sempre funzionanti?
Generalmente sì: OPERA è una piccola eccezione in quanto il suo funzionamento è di circa 200 giorni l’anno, appunto perché il CERN si impegna a produrre neutrini da Primavera al tardo Autunno.

A proposito, quanto consuma questo Laboratorio?
Diversamente dalla fisica che si svolge al CERN, qui al Gran Sasso le particelle non vengono generate e dunque non occorrono grossi quantitativi di energia per il suo funzionamento. In un certo senso la fisica dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso è di tipo “passivo”: siamo cioè in attesa di osservare eventi rarissimi indotti da alcune particelle che l’Universo ci invia. Ora usciamo. Il nostro laboratorio è il più grande del mondo. C’e facilità di accesso, anche con mezzi pesanti ingombranti.

Il Laboratorio può ospitare altri progetti-esperimenti?
Ora siamo praticamente pieni e questa è un’altra caratteristica fondamentale: tutti i ricercatori di fisica astroparticellare del Mondo vorrebbero realizzare esperimenti da noi, perché offre un vasto ambiente a bassissima radioattività naturale che è difficile trovare in altri luoghi del pianeta e che rende possibile osservare fenomeni rarissimi.

Sulla navetta che ci riporta fuori del Traforo del Gran Sasso chiedo a Di Giovanni: “Quanti sono i ricercatori qui?”
Ne abbiamo 900 da tutto il mondo, 400 sono italiani. Il laboratorio conta una settantina di persone come organico stabile, oltre a borsisti e assegnasti di ricerca. Questa che stiamo percorrendo è la galleria auto. Nel mondo ci sono altri laboratori sotterranei e anche più profondi, ma pochissimi realizzati ad hoc. Di solito sono vecchie miniere e quindi l’accessibilità è estremamente ridotta: e come abbiamo visto, la costruzione di esperimenti enormi, richiede una grossa quantità di materiale da trasportare e perciò l’accessibilità e la logistica diventano fondamentali. Questo, per tanti motivi, è il luogo ideale. Fu una grossa intuizione del prof. Zichichi, che approfittando della costruzione del tunnel autostradale Teramo-Roma propose ed ottenne la realizzazione di un Laboratorio fisica Astroparticellare unico al mondo.

Un’intuizione da manager.
Sì, da manager e da grande scienziato.(E. G.)