Comunicazione Premio Nobel

Catalina Curceanu,
INFN-LNF

La Fisica delle Particelle ed i suoi strumenti (rivelatori, acceleratori, calcolo) non rappresentano solo sfide tecnologiche avanzate, ma hanno un impatto nella vita di tutti i giorni. Quando entriamo per un accertamento in un ospedale, quando usiamo il telefonino, quando prenotiamo il volo via internet, quando facciamo la spesa, inconsapevolmente o no, stiamo utilizzando tecnologie e risultati che hanno permesso di scoprire il Bosone di Higgs o le Onde Gravitazionali.

Lo scopo della lezione è di illustrare quegli elementi di base del Modello Standard delle particelle e delle interazioni fondamentali che possono più proficuamente essere inseriti nella didattica liceale e messi in relazione con il resto del programma di fisica moderna. Gli argomenti che verranno affrontati sono: 1) le interazioni fondamentali; 2) interazioni e scambio di particelle; 3) le cariche come responsabili delle interazioni e come misura della loro intensità; 4) i processi governati dalle interazioni del micromondo; 5) il concetto di simmetria; 6) le leggi di conservazione; 7) il Modello Standard come teoria basata sulle simmetrie; 8) il fenomeno della rottura spontanea delle simmetria; 9) le particelle elementari e le loro famiglie.

Lo studio della natura della luce portò all’inizio del secolo scorso alla scoperta della meccanica quantistica. Da allora il "quanto di luce" è stato uno dei maggiori protagonisti della fisica moderna. In questo seminario racconteremo la sua "storia", dal corpo nero e dall’effetto fotoelettrico sino alle nascenti tecnologie quantistiche, quali il teletrasporto, la crittografia ed il calcolatore quantisticO, l'imaging quantistico.

Con la scoperta della particella di Higgs abbiamo un quadro potenzialmente completo della fisica delle particelle elementari, ma questo modello non risponde ad alcune legittime domande quali quelle sulla natura della materia oscura, l'origine della gerarchia tra le scale di massa ospitate dal modello e l'incompatibilità del modello con la descrizione dei fenomeni gravitazionali. Offro una breve prospettiva su queste sfide aperte sulle frontiere della fisica fondamentale concentrandomi in particolare su alcuni studi recenti che aprono una prospettiva per una svolta nella ricerca di una teoria che riproduca i successi del modello standard ma sia in grado di descrivere anche le interazioni gravitazionali tra particelle elementari.

Le reazioni di fusione nucleare fra elementi leggeri costituiscono la fonte di energia delle stelle. La ricerca sulla fusione nucleare controllata mira a rendere disponibile la fusione nucleare come fonte energetica terrestre praticamente inesauribile, a basso impatto ambientale e di costo contenuto. Gli ostacoli da superare sono però formidabili: il combustibile (nella sua forma più studiata una miscela degli isotopi deuterio e trizio dell’idrogeno) deve essere riscaldato a temperature superiori ai 100 milioni di Kelvin e opportunamente "confinato" in modo che possa reagire efficacemente. A tal fine si perseguono due strade alternative: confinamento magnetico e confinamento inerziale. Nella prima il "plasma" reagente è contenuto all’interno di una camera di reazione toroidale tramite intensi campi magnetici, nella seconda si impiegano potentissimi impulsi laser per comprimere e riscaldare piccolissimi elementi di combustibile. Nella relazione verranno discussi i princìpi dei due schemi, descritti alcuni impianti sperimentali, delineati i risultati ottenuti, i progetti in corso e le prospettive delle ricerche.

L'atmosfera terrestre è continuamente bombardata da raggi cosmici con energie cha vanno da poche migliaia di eV fino alla più alta mai rilevata dalla collaborazione Fly's Eye pari a 3×10²⁰eV. Si tratta di energia 10 milioni di volte superiori a quelle raggiunte dai protoni nel Large Hadron Collider (LHC). La maggior parte di queste particelle sono nuclei atomici, dall'idrogeno al ferro con proporzioni che dipendono dall’energia dello sciame cosmico. L'Osservatorio Pierre Auger osserva raggi cosmici di altissima energia con precisioni mai raggiunte in precedenza. Grazie al suo design ibrido, l'Osservatorio Pierre Auger misura osservabili sperimentali indipendenti ottenute sia dal rivelatore di fluorescenza che dal rivelatore di superficie. Le misurazioni dello spettro di energia, la composizione chimica (compresi neutrini e fotoni) e la direzioni di arrivo dei raggi cosmici forniscono informazioni preziose per la comprensione dell’origine dei raggi cosmici, del meccanismo di propagazione e delle loro interazioni.

La rivelazione diretta delle onde gravitazionali è uno sforzo che si protrae ormai da più di 40 anni ed ha visto degli enormi progressi in termini di sensibilità dei rivelatori. La prima rivelazione diretta di un segnale di questo tipo è già avvenuta grazie ai due rivelatori avanzati LIGO a cui si sta affiancando Virgo in Europa. Nel prossimo futuro sarà possibile la rilevazione di segnali provenienti da supernovae, stelle di neutroni rotanti, coalescenze di sistemi binari formati da oggetti collassati, distanti milioni di milioni di milioni di chilometri come è già avvenuto nel caso di due buchi neri trenta volte più pesanti del Sole. In questa presentazione discuteremo il principio di misura e le caratteristiche degli apparati sperimentali sviluppati in questi anni e presenteremo una rassegna dei risultati ottenuti.

Questo lavoro è uno strumento educativo riguardante l’energia ed il cibo. Partendo dalla percezione dell’alimentazione quale strumento energetico vitale e dai relativi ordini di grandezza, aspetti pertinenti il tema di Expo 2015 "Nutrire il Pianeta, Energia per la Vita", si intende stimolare la consapevolezza degli studenti delle superiori per favorire una più razionale valutazione dei problemi energetici, delle necessità e delle fonti. Quindi un graduale approccio al tema di Expo 2017 “Energia del futuro” che si svolgerà in Kazakistan. Tale progetto è stato presentato ad EXPO 2015: maggiori dettagli sulla presentazione si possono trovare in http://www.primapagina.sif.it/article/351/cibo-energia-un-ponte-tra-expo-2015-ed-expo-2017#.V-I6z4VmWzZ

Gli acceleratori di particelle sono macchine utilizzate per una straordinaria varietà di applicazioni che vanno dalla fisica delle alte energie e della materia alla diagnostica e terapia in ambito medico, dall'industria alla sicurezza nazionale. In quali direzioni si sta andando per rendere le macchine acceleratrici sempre più compatte ed efficienti? Quali sono i limiti e le sfide nell'ambito della fisica e tecnologia degli acceleratori di particelle? Quali i possibili scenari futuri e le applicazioni? Nella presentazione tenteremo di rispondere a queste domande dopo aver fatto una panoramica sulle tecniche di accelerazione convenzionali e sulle loro applicazioni.