Fisica Semplice · Asimmetrie n.1 · novembre 2005
Il Big Bang
sotto la Svizzera
E dall’Argentina fissano i raggi cosmici. E un supercomputer italiano calcola l’acqua alta a Venezia. Questo è il numero 1 di Asimmetrie.
Nel novembre 2005 l’INFN pubblica il primo numero di Asimmetrie: 40 pagine di fisica delle particelle per chiunque abbia voglia di capire. Tre articoli principali, tre storie che sembrano lontane dalla vita quotidiana. E invece riguardano le macchine con cui ti diagnosticano i tumori, i computer che prevedono le alluvioni e i satelliti che studiano i terremoti.
Un miliardesimo di secondo
dopo il Big Bang.
Torna indietro nel tempo. Non all’infanzia. Non ai dinosauri. Torna a 13,8 miliardi di anni fa, nei primissimi istanti dopo il Big Bang. L’Universo era allora una bolla di plasma a temperature che superavano i mille miliardi di gradi. In quelle condizioni, i mattoni fondamentali della materia — i quark — erano liberi di muoversi come gas: non erano ancora “incollati” l’uno all’altro a formare protoni e neutroni come li conosciamo oggi. Questo stato di materia si chiama plasma di quark e gluoni.
Pochi milionesimi di secondo dopo, l’Universo si espanse e si rafreddò abbastanza da far “congelare” i quark dentro le particelle più pesanti che costituiscono i nuclei degli atomi. Da quel momento in poi, nell’Universo ordinario, il plasma di quark e gluoni non esiste più. Eccetto dentro un apparato enorme, costruito sotto le montagne del Giura, in Svizzera. Si chiama ALICE.
ALICE è uno dei quattro esperimenti collegati all’acceleratore LHC al CERN di Ginevra. Il suo compito è far collidere nuclei di piombo a velocità vicine a quella della luce: nell’impatto si libera così tanta energia che i protoni e i neutroni si “sciolgono” e per un miliardesimo di secondo i quark tornano liberi, come erano pochi istanti dopo il Big Bang. Si forma una sfera di fuoco a 2000 miliardi di gradi — centomila volte la temperatura del nucleo del Sole — che dura un miliardesimo di secondo e produce decine di migliaia di particelle secondarie che l’esperimento cattura e analizza.
L’apparato è grande come una casa di cinque piani: 15 metri di altezza, 25 di lunghezza, costruito come una matrioska di rivelatori concentrici. E l’Italia? È il Paese con il maggior numero di ricercatori coinvolti in ALICE: oltre 160 scienziati INFN da Bari, Bologna, Catania, Padova, Roma, Torino, Trieste. L’Italia paga il 30% dei costi di costruzione e guida quattro sistemi di rivelazione, tra cui il più grande rivelatore a gas mai costruito al mondo.
Dalle particelle alla medicina
Mammografia digitale — i sensori al silicio sviluppati per il tracciatore di particelle di ALICE sono ora usati in nuove tecniche di imaging medico.
PET di nuova generazione — apparati per la diagnostica tumorale basati sugli stessi principi dei rivelatori di ALICE, in via di sviluppo.
Tecnologie spaziali — la miniaturizzazione elettronica sviluppata per catturare migliaia di particelle al secondo ora trova applicazioni nelle missioni spaziali.
Diecimila miliardi
di operazioni al secondo.
Tutto italiano.
Mentre ALICE cerca il plasma di quark, chi fa i calcoli? Nel 2005, una parte della risposta è un supercomputer costruito interamente in Italia: ApeNext. Progetto INFN, in collaborazione con l’azienda Eurotech. Quattrocentocinquantasei processori specializzati, collegati in un reticolo tridimensionale a struttura di cristallo, capaci di eseguire 10 teraflops — cioè diecimila miliardi di operazioni al secondo.
Non è il più potente supercomputer del mondo (il primato, in quel momento, spetta all’americano Blue Gene/L con 185 teraflops). Ma è probabilmente il più efficiente per il suo scopo: un calcolatore “dedicato”, ottimizzato per un tipo preciso di problema fisico. Come la differenza tra una pinza da chirurgo e un paio di tenaglie: la prima pesa meno, occupa meno spazio, consuma meno energia, ed è infinitamente più precisa nel compito per cui è stata costruita.
Il compito, in questo caso, è simulare il comportamento dei quark — particelle che interagiscono tra loro con una forza così intensa da rendere quasi impossibili i calcoli tradizionali. Ma la struttura tridimensionale di ApeNext, ottimizzata per il problema fisico dei quark, si rivela adatta anche per tutta una serie di problemi che hanno la stessa forma matematica.
Ed è qui che la storia diventa interessante per chi non si occupa di fisica. Lo stesso calcolatore viene usato:
A Venezia, per prevedere il livello dell’acqua e l’acqua alta nell’Adriatico. I Servizi tecnici dello Stato si avvalgono di Ape per le previsioni meteo-marine.
A Maranello, per simulare la dinamica dei fluidi e migliorare l’aerodinamica delle vetture Ferrari di Formula 1.
All’ENEA, per simulare la chimica di molecole complesse, con applicazioni in farmacologia e scienza dei materiali.
Nel cinema di animazione: uno dei ricercatori che aveva lavorato ad Ape ha sviluppato il software Toonz, usato per animare film come Anastasia e Balto.
Dal progetto Ape sono nate anche aziende private: Nergal (telecomunicazioni e media, circa cento dipendenti), Ipitec (tecnologia audio). Nessuno di questi esiti era stato pianificato. È così che funziona la ricerca di base: semina in modo imprevedibile e raccoglie in modo sorprendente.
In Argentina, nel cuore della Pampa, su 3000 km² di deserto.
Ogni secondo, ogni metro quadrato della superficie terrestre viene colpito da circa 100 particelle provenienti dallo spazio. Si chiamano raggi cosmici — non sono raggi di luce, sono particelle cariche: soprattutto protoni e nuclei atomici — e ci bombardano incessantemente, giorno e notte, da miliardi di anni. L’atmosfera ci protegge: rallenta e assorbe la maggior parte di queste particelle prima che raggiungano il suolo.
Ma alcune di queste particelle arrivano dallo spazio con un’energia straordinaria: l’equivalente di una palla da tennis tirata da un campione, concentrata in una singola particella subatomica. Circa un raggio cosmico di altissima energia per chilometro quadrato per secolo. Rarissimi, quindi, ma enormemente energetici. Da dove vengono? Probabilmente da esplosioni di supernove. Ma non lo sappiamo con certezza — ed è questo mistero che ha spinto a costruire l’Osservatorio Auger.
Auger copre 3000 km² nella Pampa argentina, a 1400 metri di altitudine. È composto da 1600 rivelatori di superficie, distribuiti a 1500 metri l’uno dall’altro, alimentati da pannelli solari, collegati via radio a un laboratorio centrale. Quando uno sciame di particelle cosmiche raggiunge il suolo, decine di rivelatori si attivano in sincrono, e l’esperimento ricostruisce l’energia e la direzione di provenienza del raggio cosmico originale.
È un esperimento di 15 Paesi, con l’Italia rappresentata dall’INFN. La cooperazione internazionale non è un dettaglio: è la struttura necessaria. Nessun Paese, da solo, avrebbe le risorse per costruire e gestire un osservatorio di quella scala.
Pampa argentina · L’osservatorio Auger studia i raggi cosmici di altissima energia
Un dettaglio che sorprende
A bordo degli aerei ad alta quota, la protezione dell’atmosfera è minore. L’INFN ha costruito un fantoccio — chiamato “Jimmy” — che simula la composizione del corpo umano, con dosimetri al suo interno. Jimmy ha volato sulle rotte intercontinentali di Alitalia per misurare la dose di raggi cosmici ricevuta dagli equipaggi. Risultato: le rotte polari espongono quasi il doppio rispetto a quelle equatoriali. Una ricerca che riguarda direttamente la salute di chi vola spesso.
Perché leggere di fisica
non è un lusso.
Il primo numero di Asimmetrie esce nel 2005, nell’Anno Internazionale della Fisica dichiarato dall’ONU, cent’anni dopo i lavori rivoluzionari di Einstein. L’editoriale del presidente INFN Roberto Petronzio è esplicito: la rivista non vuole convincere nessuno di niente, vuole comunicare le sfide scientifiche a chi non è fisico, cercando un equilibrio “tra linguaggio comprensibile e contenuti concettuali che non vanno persi nel desiderio di renderli accessibili”.
È un equilibrio difficile. Ed è esattamente quello che questa rubrica prova a cercare anch’essa, partendo dagli stessi materiali.
I sensori al silicio di ALICE sono oggi nelle macchine per la mammografia. ApeNext ha aiutato a prevedere l’acqua alta a Venezia e a migliorare l’aerodinamica della Ferrari. I fisici che hanno sviluppato Ape hanno fondato aziende nel cinema e nelle telecomunicazioni. I rivelatori costruiti per Auger vengono poi usati in esperimenti in Tibet e su satelliti per la ricerca dell’antimateria e la previsione dei terremoti.
Nessuno di questi risultati era stato pianificato. È così che funziona la ricerca di base: non produce tecnologie, produce conoscenza. E la conoscenza produce tecnologie, in modi che non si possono prevedere, in tempi che non si possono pianificare. L’unico modo per non raccogliere è smettere di seminare.
Il prossimo numero
Asimmetrie esce ogni sei mesi. Quando uscirà il prossimo numero, lo leggo, lo studio e lo racconto qui — con lo stesso approccio: niente gergo, niente semplificazioni che svuotano, nessun fenomeno straordinario presentato come magia. Solo fisica, spiegata come si spiega qualcosa a un amico curioso.
Asimmetrie —
gratuita, due volte l’anno.
La rivista dell’INFN è disponibile gratis in formato digitale e cartaceo. Se questi temi ti interessano, è il posto migliore da cui cominciare: scritta da fisici, pensata per tutti.
Il numero 1 di Asimmetrie è del 2005. Vent’anni dopo, LHC ha prodotto in laboratorio il plasma di quark e gluoni, ha trovato il bosone di Higgs, ha generato migliaia di pubblicazioni e centinaia di applicazioni industriali. E molte delle tecnologie che usi oggi portano tracce di quel lavoro.
Alberto
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