Al sognatore Aurel: che continuiamo a scrutare i cieli, mai stanchi di stupirci

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1 Al sognatore Aurel: che continuiamo a scrutare i cieli, mai stanchi di stupirci

2 Catalina Oana Curceanu Dai buchi neri all'adroterapia Un viaggio nella Fisica Moderna 12 3

3 Catalina Oana Curceanu Laboratori Nazionali di Frascati dell INFN Collana i blu pagine di scienza ideata e curata da Marina Forlizzi ISSN e-issn Questo Springer libro nel è rispetto stampato dell ambiente su carta FSC amica ha stampato delle foreste. questo Il logo libro FSC su identifica carta proveniente prodotti che da contengono foreste gestite carta in proveniente maniera da responsabile foreste gestite secondo i criteri i rigorosi FSC standard (Forest ambientali, Stewardship economici Council ). e sociali definiti dal Forest Stewardship Council ISBN DOI / ISBN (ebook) Springer-Verlag Italia, 2013 Quest opera è protetta dalla legge sul diritto d autore e la sua riproduzione anche parziale è ammessa esclusivamente nei limiti della stessa. Tutti i diritti, in particolare i diritti di traduzione, ristampa, riutilizzo di illustrazioni, recitazione, trasmissione radiotelevisiva, riproduzione su microfilm o altri supporti, inclusione in database o software, adattamento elettronico, o con altri mezzi oggi conosciuti o sviluppati in futuro,rimangono riservati. Sono esclusi brevi stralci utilizzati a fini didattici e materiale fornito a uso esclusivo dell acquirente dell opera per utilizzazione su computer. I permessi di riproduzione devono essere autorizzati da Springer e possono essere richiesti attraverso RightsLink (Copyright Clearance Center). La violazione delle norme comporta le sanzioni previste dalla legge. Le fotocopie per uso personale possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dalla legge, mentre quelle per finalità di carattere professionale, economico o commerciale possono essere effettuate a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da CLEARedi, Centro Licenze e Autorizzazioni per le Riproduzioni Editoriali, autorizzazioni@clearedi.org e sito web L utilizzo in questa pubblicazione di denominazioni generiche, nomi commerciali, marchi registrati, ecc.vanche se non specificatamente identificati, non implica che tali denominazioni o marchi non siano protettivdalle relative leggi e regolamenti. Le informazioni contenute nel libro sono da ritenersi veritiere ed esatte al momento della pubblicazione; tuttavia, gli autori, i curatori e l editore declinano ogni responsabilità legale per qualsiasi involontario errore od omissione. L editore non può quindi fornire alcuna garanzia circa i contenuti dell opera. Coordinamento editoriale: Maria Cristina Acocella, Barbara Amorese Progetto grafico e impaginazione: Ikona s.r.l., Milano Stampa: Grafiche Porpora S.r.l., Segrate (MI) Springer-Verlag Italia S.r.l., via Decembrio 28, I Milano Springer-Verlag fa parte di Springer Science+Business Media (

4 Prefazione Il mondo della fisica fondamentale è in effervescenza. Siamo nel bel mezzo di una rivoluzione scientifica i cui contorni, forse, diverranno più chiari fra qualche tempo. Le misure sempre più precise sull infinitamente grande raccolte dagli esperimenti sui satelliti e dagli apparati nascosti nelle più remote caverne sotterranee, ci consegnano una visione dell Universo molto diversa dall immagine semplificata tuttora molto diffusa: un Universo che è sottoposto a una accelerazione indefinita, spinto com è da una misteriosa forma di anti-gravità, famiglie di galassie tenute insieme da enormi estensioni di materia oscura la cui origine è tuttora completamente misteriosa, enormi buchi neri che ingoiano materia e la riemettono sotto forma di getti violenti, fenomeni catastrofici che avvengono su scale e con frequenze tali da rendere difficile definire cosmos intere regioni dell Universo cosi diverse da quell angolo quieto di una galassia tranquilla nel quale abitiamo noi umani. Parafrasando una frase famosa di Isaac Newton, si può ancora affermare che via via che aumenta la quantità di gocce di conoscenza che produciamo, gli abissi nell oceano di ignoranza nei quali sentiamo di precipitare diventano sempre più profondi. Ne la situazione è più confortante quando si analizzano i progressi all altro estremo della frontiera della conoscenza, nello studio della materia nell infinitamente piccolo, il campo degli acceleratori di particelle. È vero che la scoperta del bosone di Higgs a

5 VI Dai buchi neri all'adroterapia LHC ci ha fatto compiere un passo avanti di portata storica nella comprensione della trama sottile che tiene insieme il nostro universo e che fornisce la massa alle particelle elementari. La scoperta segna il trionfo del Modello Standard, questa teoria elegante e relativamente semplice, che sembra resistere a tutti i nostri tentativi di demolizione. E tuttavia sappiamo già che, prima o poi, qualcuno di noi o della generazione di fisici che continuerà il nostro lavoro nei prossimi decenni, avrà successo. Prima o poi compariranno fenomeni nuovi quali la comparsa di partner supersimmetrici delle particelle conosciute, o nuovi stati della materia sotto forma di particelle estremamente massicce quali quelle previste da teorie basate su extra-dimensioni o, meglio ancora, qualcosa di completamente inaspettato e non previsto da nessuna delle teorie esistenti che metterà in crisi il Modello Standard e ci costringerà a riscrivere i libri di fisica. Sappiamo che è necessario, perché il Modello Standard non contiene la gravità, la più conosciuta delle interazioni fondamentali e, insieme, la più misteriosa, cosi difficile da quantizzare, cosi difficile da unificare con le altre forze. È questa la bellezza del nostro lavoro: farsi attraversare da dubbi e continuare a porsi domande anche nel momento in cui una caccia, durata quasi cinquant anni, si conclude con successo. È questo l approccio che Catalina Curceanu ha scelto per raccontare i progressi della fisica moderna. Il lettore è portato per mano nelle gallerie sotterranee che ospitano i rivelatori a caccia di neutrini per poi volare nello spazio a visitare gli apparati sui satelliti e le stazioni spaziali orbitanti intorno alla terra. Il racconto dell oggi è intrecciato con la storia della fisica moderna, con le grandi rivoluzioni della relatività e della meccanica quantistica; le storie dei principali protagonisti aiutano il lettore a dotarsi delle attrezzature concettuali necessarie per comprendere a che punto siamo oggi. Ovunque le questioni aperte sovrastano le certezze appena acquisite e il lettore è portato per mano, alla fine del libro, a condividere lo stesso stordimento che capita anche a noi scienziati quando si immagina di essere giunti oltre l orizzonte degli eventi di un buco nero o quando ci si perde in

6 Prefazione VII un multiverso popolato da 10 alla 500 Universi che si sviluppano in uno spazio multi-dimensionale a 10 o più dimensioni. Una larga parte del libro è dedicata alle applicazioni della scienza moderna, che spesso vengono considerate doni della tecnologia come se la tecnologia potesse svilupparsi senza le rivoluzioni concettuali che solo la fisica fondamentale può produrre. Molto opportunamente la Curceanu passa in rassegna le più moderne tecniche di diagnostica e di terapia medica sviluppate a partire dai progressi sulla conoscenza dei meccanismi di interazione fra radiazione e materia e insieme le tecnologie per la produzione di energia, le telecomunicazioni, l informatica e il web; in breve tutta l ossatura del mondo industrializzato della nostra epoca. Il libro è scritto con il linguaggio semplice, e insieme rigoroso, caratteristico di chi conosce bene gli argomenti di cui si parla e riesce a tradurli in un linguaggio comprensibile ai non specialisti e capace di attrarre l attenzione: dalla possibilità di prevedere terremoti, all amnesia dei buchi neri. Dal libro traspare infine tutta la passione per il proprio lavoro che Catalina Curceanu, fisica sperimentale dell Istituto Nazionale di Fisica Nuclare, impegnata in prima persona in ricerche di fisica fondamentale, non riesce a nascondere. Gli esperimenti attualmente in operazione agli acceleratori, nei laboratori sotterranei o sui satelliti sono solo all inizio di una esplorazione che durerà per decenni. C è bisogno di una nuova generazione di giovani fisici desiderosa di raccogliere le sfide di questa nuova fase e di contribuire al progresso della conoscenza con nuove idee e con l entusiasmo che solo le nuove generazioni sono capaci di sviluppare quando viene data loro fiducia e sono chiamate a importanti responsabilità. L augurio è che qualcuno dei ragazzi/e che leggeranno questo libro possa scoprire dentro di sé quella passione per la conoscenza, quella curiosità inesauribile, quel gusto della sfida per le missioni impossibili che tuttora caratterizza la nostra professione e che la rende un mestiere davvero speciale. Guido Emilio Tonelli Università di Pisa e INFN Sezione di Pisa

7 Indice Prefazione VI Introduzione 1 Parte I - Le conquiste della fisica moderna Breve introduzione alla fisica moderna 9 I pilastri della fisica moderna 15 Dall atomo al Modello Standard 25 L antimateria 37 Radioattività 47 Acceleratori e rivelatori: le lenti di ingrandimento di un fisico 55 Silenzio cosmico: laboratori sotterranei 67 L Universo osservabile 71 Breve storia dell Universo 75 Parte II - Le ricadute della fisica moderna: il progresso della società Breve introduzione alle applicazioni della fisica moderna 85 Noi: figli delle stelle 93 L energia nucleare: dalla pila di Fermi ai reattori nucleari 103

8 X Indice Imbrigliare l energia delle stelle: la fusione nucleare 113 Energia solare 123 L antimateria e gli acceleratori al lavoro sul corpo umano 133 Una tomografia a raggi X per svelare il mistero della morte di Tutankhamon 145 Una torcia molto brillante: la luce di sincrotrone 149 L orologio nucleare: quando la radioattività svela l età 155 Il carbonio-14 smaschera i vini falsi 163 L arte di analizzare l arte: la battaglia di Anghiari, Van Gogh e Goya 167 I segnali dall interno del pianeta: i geoneutrini 175 Le fotografie digitali: l occhio elettronico 183 La relatività alla portata di tutti: il GPS 191 Il mondo virtuale www: la grande ragnatela 199 La capacità di vedere l atomo: il microscopio elettronico 203 Prevedere i terremoti? 211 Parte III - Le ricerche attuali: la fisica post-modello Standard Breve introduzione alla fisica post-modello Standard 219 La macchina delle scoperte: LHC, Large Hadron Collider 225 Il bosone di Higgs: il tassello mancante del Modello Standard 233 La zuppa primordiale: il plasma di quark e gluoni 239 L insostenibile leggerezza dei neutrini 243 Vibrando con le stelle: le onde gravitazionali 249 Buchi neri: misteri, extradimensioni e scommesse 257 La faccia nascosta dell Universo: materia oscura ed energia oscura 271 Armonia celeste: la teoria delle stringhe Universi 281 I miei esperimenti: atomi esotici e atomi impossibili 289 Siamo soli nell Universo? Alla ricerca degli extraterrestri 299

9 Indice XI Epilogo Atomi con coscienza: bellezza e necessità di fare ricerca fondamentale 313 Ringraziamenti 317