La notte del 26 settembre sarà bianca per gli amanti della scienza

Torna la Notte Europea dei Ricercatori, grande evento di divulgazione scientifica organizzato da Frascati Scienza e finanziato dalla Commissione Europea. Tantissimi gli appuntamenti in varie città d’Italia, tra visite guidate ai centri di ricerca, laboratori per adulti e bambini, mostre, conferenze e aperitivi con i ricercatori.

Notte Europea dei Ricercatori 2014: previsti numerosi laboratori per ragazzi.

Notte Europea dei Ricercatori 2014: previsti numerosi laboratori per ragazzi.

Domani, 26 settembre, torna in tutta Italia la Notte Europea dei Ricercatori, grande appuntamento dedicato alla divulgazione scientifica che chiude la Settimana della Scienza. In questi giorni centinaia di eventi organizzati in numerose città italiane hanno portato la scienza tra la gente e nelle scuole, così come molti centri di ricerca hanno aperto le porte al largo pubblico.

Un ricchissimo calendario di conferenze, aperitivi scientifici, visite guidate e laboratori per adulti e bambini ha consentito ai protagonisti della ricerca italiana di raccontare il proprio lavoro alla cittadinanza -soprattutto ai giovani- e coinvolgerla in numerose attività.

La giornata di domani sarà il momento culminante della manifestazione e gli eventi si protrarranno fino a tardi, in una notte bianca dedicata alla scienza e all’eccellenza italiana nella ricerca.

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Visite guidate presso i centri di ricerca

Vari istituti de enti apriranno le porte al pubblico, che avrà modo di essere accompagnato dai ricercatori attraverso i laboratori in cui si svolgono gli esperimenti o si costruiscono grandi apparati sperimentali. Tra questi, i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN, l’Ente italiano per la ricerca nella fisica delle particelle elementari, nucleare, astro-particellare e medica.

Anche l’ENEA, Ente Nazionale per l’Energia, accoglierà visitatori all’interno delle proprie strutture e realizzerà laboratori di ottica per ragazzi, dedicati allo studio delle caratteristiche di varie sorgenti di luce (fonti incoerenti e fasci laser) e alle illusioni ottiche.

A Frascati sarà allestito un laboratorio di antropologia forense. [Immagine: Frascati Scienza]

A Frascati sarà allestito un laboratorio di antropologia forense. [Immagine: Frascati Scienza]

Laboratori per adulti e bambini

Per gli appassionati di ossa e della serie televisiva “Bones”, a Frascati sarà allestito un laboratorio di antropologia forense, ossia la branca della scienza che studia gli scheletri rivolta alle indagini giudiziarie.

Moltissimi appuntamenti sono previsti anche presso l’INFN di Catania, con laboratori dedicati alla rivelazione dei raggi cosmici, alla robotica, alla biologia marina, nonché all’impiego delle conoscenze fisiche per la tutela dell’arte.

Aperitivi scientifici e incontri con ricercatori in tante città. [Immagine: Frascati Scienza]

Aperitivi scientifici e incontri con ricercatori in tante città. [Immagine: Frascati Scienza]

Mostre e incontri con i ricercatori

Ancora mostre a Milano, Roma, Trieste e Cagliari, aperitivi scientifici a Pisa, Pavia e Frascati e tanti laboratori dedicati ai più piccoli (a Bologna, Frascati, Roma, Bari, ecc).

Presso l’ESRIN, centro dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) di Frascati, sarà possibile incontrare l’astronauta italiano Paolo Nespoli, che parlerà del suo soggiorno nella Stazione Spaziale Internazionale e condividerà le sue esperienze di vita in assenza di gravità.

Non mancheranno anche visite al Planetario di Bologna e all’Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO) di Cascina (Pisa), laboratori dedicati alle energie sostenibili, nonché musica nelle piazze (a Cagliari fino a notte inoltrata, con proposte di musica rap per i più giovani).

Notte Europea dei Ricercatori 2014: previste visite al Planetario di Bologna e all'Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO) di Cascina (Pisa).

Notte Europea dei Ricercatori 2014: previste visite al Planetario di Bologna e all’Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO) di Cascina (Pisa).

Un evento divulgativo di successo

Lunghissimo e variegato il programma, consultabile sul sito web di Frascati Scienza. L’affluenza attesa è elevata, come già rilevato in questi giorni, nonché nelle edizioni passate.

La Notte Europea dei Ricercatori è infatti giunta con successo alla sua nona edizione. Si tratta di un progetto coordinato e realizzato da Frascati Scienza in collaborazione con numerosi enti, nonché promosso dalla Commissione Europea. Esso rappresenta il primo progetto finanziato tramite il nuovo programma Horizon 2020, che nei prossimi sette anni investirà oltre ottanta miliardi di euro nella ricerca scientifica e l’innovazione.

L’idea nasce dal desiderio di avvicinare il più vasto pubblico alla scienza, di renderla accessibile e comprensibile, nonché di mostrare come la ricerca sia fondamentale per lo sviluppo della società. Eventi divulgativi di questo tipo rappresentano inoltre un’occasione per ricordare e celebrare l’eccellenza italiana nei più vari settori della scienza.

La risposta del pubblico dimostra che questo desiderio (o addirittura esigenza) è condiviso e apre la strada a sempre più numerose e interessanti iniziative.

La Notte Europea dei Ricercatori è un progetto coordinato e realizzato da Frascati Scienza e promosso dalla Commissione Europea.

La Notte Europea dei Ricercatori è un progetto coordinato e realizzato da Frascati Scienza e promosso dalla Commissione Europea.

A settembre la scienza è per tutti (e di tutti)

Ritornano tra il 22 e il 26 settembre la Settimana della Scienza e la Notte Europea dei Ricercatori, appuntamenti ormai fondamentali per quanti siano curiosi di conoscere il mondo della ricerca scientifica e i suoi protagonisti. Molti gli enti coinvolti (coordinati da Frascati Scienza) e numerosissimi gli appuntamenti.

Manifesto della Notte Europea dei Ricercatori [immagine: Frascati Scienza]

Manifesto della Notte Europea dei Ricercatori [immagine: Frascati Scienza]

Anche quest’anno all’arrivo dell’autunno la scienza scende dalla cattedra e si mescola tra la gente, adulti e bambini. Tra il 22 e il 26 settembre avrà infatti luogo la nona edizione della Settimana della Scienza, grande evento di divulgazione scientifica che si propone di portare la ricerca e i suoi protagonisti tra i cittadini e in particolare tra i giovani studenti.

Il calendario è ricchissimo di eventi, ben 150 distribuiti dal centro al nord al sud d’Italia. Si spazia da aperitivi scientifici con ricercatori, a gite a parchi e siti archeologici, da spettacoli interattivi per gli studenti delle scuole medie ad attività di gioco-educazione per i più piccoli. Sono incluse anche visite ad alcuni centri di ricerca, che apriranno le porte dei propri laboratori e mostreranno gli esperimenti condotti. Le città coinvolte quest’anno sono: Roma e Frascati, Bologna, Ferrara, Pisa, Trieste, Milano, Pavia, Cagliari, Bari, Catania.

La settimana culminerà e si concluderà il 26 settembre con la Notte Europea dei Ricercatori 2014, notte ‘bianca’ della ricerca, che nelle passate edizioni ha avuto un grandissimo successo tanto in Italia come in altri paesi europei.

La Notte Europea dei Ricercatori è un progetto finanziato dalla Commissione Europea e coordinato da Frascati Scienza, in collaborazione con varie altre istituzioni e centri di ricerca italiani.

Scienza e sostenibilità

Il tema centrale di quest’anno è la sostenibilità, questione di interesse tanto scientifico quanto di governance: occorre pianificare un futuro tecnologico, sociale e politico che tenga conto delle grosse problematiche ambientali e sociali che siamo chiamati ad affrontare in questo momento storico.

Oltre ad essere molto attuale, il tema della sostenibilità coinvolge particolarmente la scienza e i ricercatori, impegnati a trovare soluzioni e mettere a punto nuove tecnologie per affrontare le sfide concernenti il futuro del pianeta e dell’umanità.

Molti gli eventi dedicati a ragazzi e bambini. [immagine: Frascati Scienza]

Molti gli eventi dedicati a ragazzi e bambini. [immagine: Frascati Scienza]

Eccellenza italiana

Eventi divulgativi come la Settimana della Scienza e la Notte dei Ricercatori sono nati dall’esigenza, da un lato, dei ricercatori di avvicinarsi alla gente, far conoscere loro la propria vita quotidiana e l’importanza dei loro studi, dall’altro, della gente di saperne di più, di superare e abbattere la barriera tra la scienza e la vita comune. Il successo di tutti gli appuntamenti dimostra l’interesse destato da questi eventi e la loro efficacia.

Allo stesso tempo, si tratta di occasioni per mettere in risalto il grande impegno dei ricercatori italiani, l’eccellenza delle nostre realtà scientifiche e l’importanza della nostra ricerca in Europa. “La Notte Europea dei Ricercatori organizzata da Frascati Scienza si è classificata prima nei progetti presentati da tutti gli stati membri”, commenta il presidente di Frascati Scienza, Giovanni Mazzitelli, “firmando il primo contratto del nuovo programma di finanziamento europeo – Horizon 2020 – che nei prossimi sette anni finanzierà con oltre 80 miliardi di euro progetti di ricerca e innovazione.”

Una sezione speciale dell’evento sarà dedicata alle donne nella scienza, fortunatamente sempre più in aumento, con interventi da parte di alcune giovani ricercatrici, nonché la partecipazione di Fabiola Gianotti, fisica del CERN che ha diretto uno dei due esperimenti che sono giunti alla scoperta del bosone di Higgs, particella fondamentale ipotizzata nel 1964 e a lungo cercata.

Una sezione speciale dell’evento sarà dedicata alle donne nella scienza, con interventi di alcune giovani ricercatrici.

Una sezione speciale dell’evento sarà dedicata alle donne nella scienza, con interventi di alcune giovani ricercatrici. [Immagine: Frascati Scienza]

In gita per laboratori

Tra gli enti partner, i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN apriranno le porte al vasto pubblico con visite guidate da ricercatori, che accompagneranno la gente a scoprire le installazioni di alcuni esperimenti nonché alcuni laboratori. A sua volta l’ENEA metterà per la prima volta a disposizione il Centro Ricerche Casaccia (oltre a quello di Frascati) per consentire a un più vasto pubblico di partecipare alle attività e conoscere l’impegno dell’ente nello sviluppo di tecnologie energetiche sostenibili.

Anche l’Universo, che esercita sempre un gran fascino, avrà il suo posto sotto i riflettori. Infatti, i ricercatori dell’INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica) organizzeranno eventi presso l’osservatorio astronomico di Roma, soprattutto per i bambini. Così anche a Pisa, dove l’Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO) aprirà le porte al pubblico per due giorni, con visite guidate e conferenze. Proprio nella pianura presso Pisa, a Cascina, l’esperimento Virgo (un grande interferometro con due bracci lungo ciascuno 3km) punta i propri strumenti al cielo, cercando di captare tracce delle onde gravitazionali previste da Einstein quasi un secolo fa.

Alla scoperta dell'Universo presso l'Osservatorio Astronomico di Roma e l'Osservatorio Gravitazionale Europeo vicino Pisa.

Alla scoperta dell’Universo presso l’Osservatorio Astronomico di Roma e l’Osservatorio Gravitazionale Europeo vicino Pisa.

Il programma completo della Settimana della Scienza e della Notte dei Ricercatori è consultabile sul sito di Frascati Scienza, con la possibilità di cercare gli eventi in base alla tipologia, la città e dell’età dei destinatari, a questo link.

Neutrini più veloci della luce? ICARUS risponde ‘no’.

In settembre i ricercatori dell’esperimento OPERA, sito ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, dichiararono che accurate e ripetute misure da essi effettuate sembravano indicare che i neutrini si propagassero a velocità superiore a quella della luce. Due settimane fa ICARUS, un esperimento indipendente collocato anch’esso al Gran Sasso, ha pubblicato risultati che sono in disaccordo. Ma già a gennaio OPERA aveva riscontrato possibili cause di errore. Vediamo quali.

Apparato sperimentale di OPERA.

Apparato sperimentale di OPERA.

Nella ricerca scientifica non si arriva mai a certezze conclusive: si elaborano teorie e se ne cerca la prova o la confutazione sperimentale, che comunque vale solo “fino a prova contraria”. Infatti, nuove scoperte possono sempre rimettere in discussione le conoscenze assunte in precedenza. Così come successivi esperimenti possono offrire nuove conferme alle idee poste sotto scrutinio.

Questo modo di procedere fa parte della quotidianità della ricerca scientifica e, in genere, le alterne sorti di idee e teorie restano argomento di dibattito tra gli specialisti del settore.

Accade invece a volte che alcune scoperte, o presunte-tali, attraggano l’attenzione del pubblico non esperto. Purtroppo il tam-tam di notizie che ne segue, insieme all’estrema divulgazione e semplificazione della materia in questione, provoca a volte la diffusione di notizie errate e l’espressione di giudizi non opportunamente meditati.

Ad entrare negli ultimi mesi nel frullatore mediatico, non sempre con esiti positivi per la ricerca ed istruttivi per il pubblico, è stata la vicenda della velocità dei neutrini.

Lo scorso settembre l’esperimento OPERA, il cui rivelatore è collocato nelle profondità del Gran Sasso, dichiarò che i dati da esso raccolti sembravano indicare che i neutrini si propagassero ad una velocità superiore a quella della luce.

La vicenda ha avuto degli sviluppi e ha di nuovo attratto a sé l’attenzione.

Prima di venire alle novità, facciamo un passo indietro.

Seminario dato Dario Auterio (IPNL, CNRS) il 23 Settembre sui nuovi risultati dell'esperimento OPERA.

Seminario tenuto da Dario Auterio (IPNL, CNRS) il 23 settembre 2010 sui nuovi risultati dell’esperimento OPERA.

I neutrini e l’esperimento OPERA

I neutrini sono particelle elementari prive di carica elettrica e di massa quasi nulla, le quali interagiscono pochissimo con la materia. Di conseguenza, esse possono propagarsi nello spazio e attraverso i corpi celesti per tempi lunghissimi, senza subire alcun effetto né generarne. Tale scarsa propensione all’interazione rende difficile l’intercettazione dei neutrini e lo studio delle loro caratteristiche. Per quanto l’interazione sia rara, non è però nulla, pertanto se si considerano grandissime quantità di neutrini, si possono rilevare degli effetti.

Al fine di indagare il comportamento di queste particelle evanescenti, fasci di neutrini prodotti al CERN di Ginevra (tramite scontro di protoni accelerati contro un bersaglio fisso) e che procedono attraverso la roccia in direzione del Gran Sasso, vengono qui rilevati da alcuni esperimenti i cui rivelatori sono collocati nel cuore della montagna. Per l’esattezza, ciò che si registra sono i prodotti delle occasionali interazioni dei neutrini con la materia di cui gli stessi rivelatori sono costituiti.

Secondo quanto annunciato in settembre dai membri dell’esperimento OPERA, dai dati da esso raccolti negli scorsi due anni, accuratamente e ripetutamente analizzati, si evinceva che i neutrini giungessero a destinazione circa 60 ns in anticipo rispetto ai fotoni (‘costituenti’ della luce). Una simile misura induceva a pensare che i neutrini si propagassero a velocità supraluminali.

Se questa interpretazione dei dati si fosse trasformata in una scoperta, ossia se la misura fosse stata indipendentemente confermata, essa avrebbe avuto ricadute su alcune teorie fisiche molto affermate (in primis la relatività ristretta di Einstein), le quali si basano sul principio che nessun elemento di materia o segnale possa spostarsi ad una velocità superiore a quella della luce.

La maggior parte dei fisici ha mantenuto un atteggiamento cauto e scettico, molti hanno cercato di suggerire possibili fonti di un errore di strumentazione che giustificasse tale misura, alcuni infine hanno cercato di immaginare spiegazioni teoriche (a scopo ludico o serio).

I ricercatori di OPERA, nel sottoporsi allo scrutinio della comunità scientifica, di cui hanno invocato la collaborazione per una comprensione dei risultati, hanno promesso che avrebbero continuato la ricerca di una possibile causa di errore e, soprattutto, avrebbero acquisito altri dati.

Al fine di migliorare l’affidabilità della misura, essi hanno cercato di ridurre l’incertezza statistica sull’istante di generazione dei singoli neutrini (per gli interessati, maggiori dettagli a fine articolo). Queste nuove misure hanno confermato quelle precedenti. Ciò ha convinto alcuni membri della collaborazione, che in un primo momento avevano preferito tenersene fuori, ad appoggiare la presentazione dei risultati.

I risultati dell'esperimento ICARUS sono in significativo disaccordo con quelli di OPERA.

I risultati dell’esperimento ICARUS sono in significativo disaccordo con quelli di OPERA.

Individuazione di due possibili cause di errore

A febbraio di quest’anno, però, OPERA ha dato un nuovo annuncio che ha riacceso il dibattito: due possibili fonti di errore sembravano esser state trovate.

In particolare, è stato rilevato un problema nella connessione di un cavo in fibra ottica, che porta il segnale di sincronizzazione (dato da un sistema GPS) dalla superficie alla profondità della roccia in cui l’esperimento è sito. Questo difetto sarebbe responsabile della sbagliata valutazione di un ritardo di propagazione del segnale, che avrebbe affetto il calcolo del tempo di arrivo dei neutrini: il risultato è, appunto, un tempo inferiore di circa 60ns a quello dei fotoni.

Un altro difetto riscontrato riguarderebbe invece il sistema che assegna agli eventi misurati le ‘etichette temporali’. In pratica, quando i dati sono letti e registrati, ad essi deve essere assegnato un riferimento temporale: questo è necessario a ricostruire correttamente ciò che è accaduto nel rivelatore. Tali etichette sono date riferendosi ancora una volta al sistema GPS. Un errore nell’assegnazione dei riferimenti può falsificare i dati e produrre errori nel calcolo dei tempi di percorrenza.

Il problema che è stato rilevato sembrerebbe però andare nel senso contrario di quanto atteso, ossia esso provocherebbe un aumento del ritardo.

Quindi i due errori sistematici (ossia intrinseci al sistema), se confermati, in linea di principio potrebbero annullarsi l’un l’altro. Ma “i sospetti maggiori ricadono sul cavo in fibra ottica”, dichiarava Lucia Votano, direttore dei LNGS.

Per capire meglio la situazione occorre comunque attendere i nuovi dati che saranno raccolti con nuovi test nel prossimo maggio.

Misure di ICARUS in disaccordo

Nel frattempo però, i membri dell’esperimento ICARUS, il cui rilevatore è anch’esso collocato nei Laboratori del Gran Sasso, hanno reso pubblici dei risultati che sono in significativo disaccordo con quelli di OPERA. L’articolo in questione dichiara che, dall’analisi dei dati raccolti da ICARUS negli ultimi mesi, si evince che la velocità di propagazione dei neutrini misurata è prossima a quella della luce, come ci si aspetta dalla teoria.

La partita è dunque chiusa? Non del tutto. Non lo sarà almeno finché la collaborazione di OPERA non sarà in grado di affermare con certezza di aver individuato errori sistematici e replicherà la misura ottenendo un risultato in linea con quello di ICARUS.

In ogni caso, nella scienza nessuna partita è chiusa in senso definitivo. Il metodo scientifico offre solo ‘certezze temporanee’, non assolute. Per quelle sono state inventate le religioni.

Il rivelatore di ICARUS si basa sull’impiego di un dispositivo chiamato TPC (Time Projection Chamber, ossia Camera a Proiezione di Tempi).

Apparato sperimentale di ICARUS.

Un po’ di dettagli tecnici, per chi ne ha voglia

Perché c’è incertezza sull’istante di ‘nascita’ dei neutrini?

Per comprendere questo concetto, torniamo al metodo con il quale i neutrini sono prodotti. Un fascio di protoni viene diretto contro un bersaglio: in seguito allo scontro si ha la produzione di un getto di particelle di vario tipo. La maggior parte di queste perde rapidamente energia e rallenta per interazione con la materia, dando origine ad altri effetti (ad esempio, si trasforma in particelle più leggere, che a loro volta generano interazioni). In sintesi, a poca distanza fisica e temporale dallo scontro, quel che resta del getto di particelle è solo un fascio di neutrini che, in virtù della loro scarsa propensione all’interazione, procedono sulla propria rotta.

Il fascio di protoni non viene inviato contro il bersaglio di continuo, bensì per brevi intervalli temporali, distanziati in maniera regolare. In pratica, si spediscono protoni a pacchetti ‘distinti’. Ovviamente, più è estesa la singola finestra temporale in cui si invia il fascio, maggiore è l’incertezza riguardo all’istante esatto in cui un protone impatta con il bersaglio e dà origine ad un neutrino.

Per tale ragione OPERA, in collaborazione con il CERN, ha deciso di realizzare dei cicli di acquisizione di dati con una configurazione speciale del fascio di protoni, in cui i pacchetti fossero più piccoli (ossia le finestre temporali di invio dei protoni più brevi).

Com’è fatto ICARUS?

Il rivelatore di ICARUS si basa sull’impiego di un dispositivo chiamato TPC (Time Projection Chamber, ossia Camera a Proiezione di Tempi).

Schematicamente, si tratta di un cilindro riempito di un fluido (per ICARUS, argon liquido) ultra-puro, cioè non ‘contaminato’ da atomi di altri elementi, sottoposto a un campo elettrico ed un campo magnetico paralleli. Quando particelle cariche, nel nostro caso prodotte dall’interazione dei neutrini con la materia circostante, passano attraverso il rivelatore, ionizzano gli atomi di argon, vale a dire che strappano loro un elettrone. Tali elettroni liberi si muovono sotto l’effetto del campo elettromagnetico e inducono corrente su fili metallici posti alle estremità del cilindro. Il segnale elettrico così generato viene ‘letto’ da un sistema elettronico.

L’analisi di tali segnali permette di ricostruire la traiettoria percorsa dalla singola particella e la sua energia. Fili posti perpendicolarmente gli uni agli altri forniscono informazioni relative a due coordinate. La terza coordinata viene derivata dal tempo di volo dei vari elettroni prodotti per ionizzazione, ossia il tempo da essi impiegato per raggiungere gli estremi della camera.

Maggiori dettagli sulle varie parti del rivelatore, sull’elettronica per l’acquisizione e la selezione dei dati, nonché sui risultati delle misure effettuate finora, sono rintracciabili sul sito ufficiale dell’esperimento.

[Articolo originariamente pubblicato su ilcambiamento.it http://www.ilcambiamento.it/culture_cambiamento/neutrini_piu_veloci_luce_icarus.html%5D

Come il CERN produce i neutrini che invia verso i laboratori del Gran Sasso?

Produrre i neutrini è il primo passo. Poi bisogna anche essere sicuri che quelli intercettati siano effettivamente quelli inviati…

Elaborazione dell'interazione di un singolo neutrino con OPERA: nell'immagine, il neutrino entra in basso a sinistra e interagisce con un elemento della parete del rivelatore producendo diverse particelle identificabili dalle loro tracce [Credits: CERN 2007].

Elaborazione dell’interazione di un singolo neutrino con OPERA: nell’immagine, il neutrino entra in basso a sinistra e interagisce con un elemento della parete del rivelatore producendo diverse particelle identificabili dalle loro tracce [Credits: CERN 2007].


Il fascio di neutrini impiegato nell’esperimento CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) viene prodotto al CERN accelerando protoni e facendoli scontrare contro un bersaglio fisso. In seguito alla collisione si creano particelle instabili, i pioni, le quali decadono in particelle più leggere. Dopo il processo di decadimento (o di arresto per interazione con la materia) sopravvivono solo i neutrini, che continuano a viaggiare nella direzione originaria del fascio di protoni, verso i Laboratori INFN del Gran Sasso (LNGS), che raggiungono in pochi millisecondi (circa 3).

A destinazione i neutrini sono “accolti” da una massiccia parete rappresentata dal rivelatore di OPERA, costruito per rivelare i segni del loro passaggio. L’apparato sperimentale è posto sottoterra in modo da schermare il fascio di neutrini provenienti dal CERN dalle particelle che provengono dallo spazio. La ricostruzione della direzione (ossia del vertice da cui sono partiti) con complesse operazioni di triangolazione – che all’interno dei laboratori del Gran Sasso si basano su misure effettuate ogni 2 metri – e le operazioni di rilevazione del tempo consentono di essere sicuri che i neutrini intercettati siano effettivamente quelli inviati dal CERN.

[Articolo originariamente pubblicato su FOCUS.it con il titolo “Come si fabbricano i neutrini del CERN? http://www.focus.it/scienza/scienze/come-si-fabbricano-i-neutrini-del-cern-201109241700%5D

Neutrini più veloci della luce, un dato affidabile? Risponde la ‘Scienza’

I neutrini inviati dal CERN di Ginevra ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Abruzzo sembrano viaggiare più velocemente della luce: una notizia che ha movimentato il dibattito scientifico solo poche settimane fa. Se il dato fosse confermato, infatti, teorie fisiche consolidate dovrebbero essere rivisitate. Ma si tratta di un risultato affidabile? Ne abbiamo parlato direttamente con gli addetti ai lavori, i fisici.

Fasci di neutrini vengono inviati dal CERN di Ginevra ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Abruzzo

Fasci di neutrini vengono inviati dal CERN di Ginevra ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Abruzzo

I milioni di appassionati della serie televisiva Star Trek e di fantascienza in generale hanno una certa confidenza con i tachioni, fantomatiche particelle in grado di viaggiare ad una velocità superiore a quella della luce, i quali entrano spesso in gioco quando gli autori si trovano a dover risolvere un nodo problematico nella trama.

Ma i tachioni sono solo particelle ideali: come ben noto, non c’è elemento di materia o segnale che possa andare più veloce della luce. Si tratta di un pilastro della scienza! O forse no?

A sollevare dubbi è giunta di recente una notizia che, pur sembrando al limite tra scienza e fantascienza, ha fatto il giro del mondo e ha destato l’attenzione anche di chi è completamente a digiuno di fisica: l’esperimento OPERA, il cui immenso rivelatore è sito nel cuore del Gran Sasso, avrebbe scoperto che i neutrini sono dei tachioni.

Neutrini super-luminali?

In particolare, fasci di neutrini aventi energia pari a 17 GeV (ossia un miliardo di electron-volt, unità di misura usata per l’energia delle particelle) vengono inviati dal CERN di Ginevra verso il Gran Sasso, dove il loro passaggio è rilevato tramite la strumentazione di OPERA. Precise misure svolte nell’arco degli ultimi tre anni hanno presentato ai ricercatori uno sbalorditivo risultato: i neutrini viaggerebbero ad una velocità circa 25 miliardesimi di volte superiore a quella della luce.

L’annuncio è stato dato lo scorso 23 settembre tramite comunicato stampa dal portavoce dell’esperimento, Antonio Ereditato, e lo studio presentato alla comunità scientifica nel corso di un seminario svoltosi lo stesso giorno presso il CERN.

La faccenda è delicata: una simile scoperta, infatti, avrebbe parecchie ricadute sul panorama attuale di teorie fisiche, a partire dalla relatività speciale di Einstein, e minerebbe le fondamenta del principio di causalità, che stabilisce l’ordine temporale tra ciò che chiamiamo ‘causa’ ed ‘effetto’.

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L’esperimento e i risultati

Al CERN, laboratorio internazionale sito presso Ginevra al confine tra Francia e Svizzera, vengono prodotti a ritmo costante fasci di neutrini, generati facendo sbattere protoni contro un bersaglio fisso, e inviati in direzione dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, dove i rivelatori dell’esperimento OPERA sono pronti a intercettarli.

I neutrini sono particelle prive di carica elettrica e che interagiscono pochissimo con la materia, pertanto possono viaggiare a lungo nello spazio e attraversare i corpi celesti senza esserne affetti. Noi stessi siamo investiti continuamente da una pioggia di neutrini e non ce ne rendiamo minimamente conto.

Apparato sperimentale di OPERA

Apparato sperimentale di OPERA

Tale scarsa propensione all’interazione, rende estremamente difficile rilevarne il passaggio. Tuttavia, se si inviano ripetutamente quantità enormi di neutrini, si ha una certa probabilità che prima o poi qualcuno di essi venga ‘visto’.

Per intercettare simili elusive particelle, l’esperimento OPERA fa uso di ‘mattoni’ composti di strati di piombo e pellicole di emulsione fotografica, che restano ‘impressionate’ se attraversate da neutrini, o meglio dai prodotti delle loro collisioni con gli atomi di piombo, negli sporadici casi in cui questa interazione avviene.

Il cuore del rivelatore è un’enorme parete fatta di ben 150.000 di tali mattoni, per un peso totale di 1300 tonnellate. La costruzione di tale complessa struttura, accompagnata da altrettanta sofisticata circuiteria e apparecchiatura elettronica per elaborare i segnali prodotti dal passaggio delle particelle, ha avuto inizio nel 2003 ed è terminata del 2008.

L’analisi dei dati raccolti da OPERA nei suoi tre anni di attività, tra la fine del 2008 e il 2011, ha permesso di rilevare come i neutrini ‘sparati’ dal CERN, che percorrono i 732 km che separano il laboratorio ginevrino dal Gran Sasso in meno di 3 millisecondi, arrivino a destinazione 60 miliardesimi di secondo prima dei fotoni, ossia della luce.

La velocità di un oggetto in moto è data dal rapporto fra la distanza percorsa e il tempo impiegato a coprirla. Accurate misure geodetiche hanno permesso ai fisici di OPERA di conoscere la distanza tra il punto di emissione dei neutrini al CERN e il rivelatore al Gran Sasso con un’imprecisione non superiore ai 20cm.

Un altrettanto sofisticato sistema basato sull’uso del GPS ha permesso la sincronizzazione degli ‘orologi’ nei due laboratori, sicché il cosiddetto ‘tempo di volo’, ossia il tempo che intercorre tra l’istante in cui si registra la partenza del fascio di neutrini e il momento in cui essi sono catturati dal rivelatore, è stato misurato con un errore massimo dell’ordine di 10 miliardesimi di secondo.

Dubbi sulla misura

Nonostante la precisione e lo scrupolo con cui misure e analisi dei dati sono state condotte, il risultato resta sconcertante e non facilmente accettabile. Se fosse confermato, varie teorie fisiche consolidate e corroborate da misure sperimentali dovrebbero essere rivisitate.

Ma prima di elaborare spiegazioni teoriche di un simile fenomeno, è fondamentale capire se questo risultato sia affidabile o non ci sia invece un qualche errore insidiosamente nascosto, un difetto nel sistema, che infici la misura.

Gli stessi ricercatori coinvolti nell’esperimento non hanno gridato alla scoperta, bensì con responsabile e sobrio contegno – consono alla ricerca – hanno presentato i risultati alla comunità scientifica, invitando tutti a rifletterci sopra, sollevare dubbi, fare ipotesi, proporre misure alternative da compiere tramite altri rivelatori.

In tal senso è eloquente la stessa frase che chiude l’articolo scientifico redatto dai fisici di OPERA: “Nonostante la grande significatività della misura riportata e la stabilità dell’analisi, il potenziale grande impatto del risultato motiva la continuazione dei nostri studi per investigare altri effetti sistematici ignoti che potrebbero spiegare l’anomalia osservata. Evitiamo deliberatamente di proporre una spiegazione teorica o fenomenologica del risultato”.

Le reazioni della comunità scientifica

Passata la sbornia dell’eccitazione per una notizia così sorprendente, l’atteggiamento dominante negli ambienti di ricerca è ispirato alla massima cautela e ad un certo scetticismo, non nei confronti della serietà dell’analisi svolta, da tutti riconosciuta, quanto per l’accettabilità del risultato.

“Se confermato, ciò sarebbe straordinario. Ma affermazioni straordinarie richiedono prove straordinarie e non siamo ancora a tal punto”, commenta il professor Franz Muheim, a capo dell’Istituto per la Fisica Nucleare e delle Particelle dell’Università di Edimburgo.

Il dibattito è aperto e molto attivo. Numerosi esperti stanno analizzando in dettaglio l’analisi condotta da OPERA per individuare gli eventuali punti deboli. Un’opinione molto diffusa è che ci debba essere qualche fenomeno che i fisici autori dello studio non hanno tenuto adeguatamente in conto nella sincronizzazione degli orologi, o forse nell’incertezza statistica con cui è noto l’istante preciso in cui il singolo neutrino viene prodotto nella collisione del fascio di protoni con il bersaglio.

L’ esperimento è senza dubbio molto complesso, data l’elusività dei neutrini, e una misura del genere richiede estrema precisione. Ulteriori indagini e conferme o smentite da parte di altri esperimenti indipendenti si rendono necessarie.

Quali le conseguenze?

Sebbene le possibilità che si tratti di scoperta (e non invece l’effetto di un errore sistematico) non siano elevate, in tanti – anche solo per esercizio mentale – si stanno lambiccando per trovare una spiegazione che renda ragione di tale risultato.

Le conseguenze immediate ricadrebbero, come già accennato, sulla teoria dellarelatività speciale di Einstein, la quale assume che niente, particella o onda, possa viaggiare ad una velocità superiore a quella della luce.

La formulazione matematica di tale teoria è basata su delle equazioni chiamate trasformazioni di Lorentz, le quali mettono in evidenza come spazio e tempo non siano concetti assoluti e indipendenti, bensì strettamente connessi, in quanto il tempo dipende dalla posizione e dalla velocità del sistema di riferimento in relazione al quale lo si considera.

Il nostro Universo è quindi descritto da tre coordinate spaziali ed una quarta, il tempo, che sono legate tra loro dalle trasformazioni di Lorentz. Tali equazioni contengono al loro interno, come costante di riferimento, la velocità della luce nel vuoto. È qui che sorgerebbe il problema, nel caso in cui il risultato di OPERA venisse confermato e si scoprisse che effettivamente i neutrini superano tale limite massimo di velocità.

Ignatios Antoniadis, leader della divisione teorica del CERN e direttore di ricerca in congedo dal Centro di Fisica Teorica del CNRS

Ignatios Antoniadis, leader della divisione teorica del CERN e direttore di ricerca in congedo dal Centro di Fisica Teorica del CNRS

“Questa scoperta implicherebbe una ‘piccola’ violazione dell’invarianza di Lorentz, che è uno dei principi delle teorie attuali che descrivono la fisica delle particelle elementari e delle loro forze fondamentali”, afferma Ignatios Antoniadis, leader della divisione teorica del CERN e direttore di ricerca in congedo dal Centro di Fisica Teorica del CNRS (ente nazionale francese di ricerca scientifica).

“Potrebbe darsi, per esempio – continua Antoniadis – che tale violazione derivi dal fatto che lungo una direzione ‘preferita’ nello spazio la velocità della luce sia differente”. Stiamo forse parlando di extra-dimensioni? “No – risponde Antoniadis – bensì di una dimensione di quelle note (o di una parte di universo), che sarebbe ‘speciale’ per cui qualche particella, come i neutrini, potrebbe viaggiare in essa ad una velocità superiore a quella della luce”.

Gian Giudice, fisico teorico del CERN

Gian Giudice, fisico teorico del CERN

Gian Giudice, fisico teorico del CERN, fornisce una spiegazione analoga: “Significherebbe che i neutrini vedono spazio e tempo in modo diverso quindi la visione dello spazio-tempo fornita dalla teoria della relatività speciale dovrebbe essere modificata. Forse esso è permeato da una sostanza che distingue lo spazio dal tempo, o che rende differenti le varie direzioni dello spazio”.

Altri teorici invece hanno supposto che i neutrini possano prendere una ‘scorciatoia’ passando attraverso un’extra-dimensione.

E che ne sarebbe del principio di causalità, anch’esso strettamente legato alla relatività? Tale principio definisce ciò che intendiamo normalmente come ‘causa’ ed ‘effetto’ di un’azione o evento, inseriti in un preciso ordine temporale, che non ci consente di muoverci lungo la freccia del tempo in direzione contraria. Se tale principio fosse violato, si potrebbe auspicare che in realtà le particelle possano viaggiare indietro nel tempo.

“Non è necessario ammettere una violazione del principio di causalità per dare ragione di particelle che si muovano ad una velocità superiore a quella della luce – spiega Giudice -. La superluminalità implica una violazione della causalità solo se si assume l’invarianza di Lorentz (cioè l’indipendenza delle leggi fisiche dalla scelta di particolari sistemi di riferimento). È possibile quindi immaginare contesti in cui il neutrino corra più veloce della luce, senza entrare in paradossi secondo i quali noi possiamo modificare il nostro passato”.

È dunque possibile che qualcosa viaggi indietro nel tempo? “La struttura della relatività generale (estensione della relatività speciale concepita da Einstein per rendere ragione del comportamento della forza di gravità, ndr) non esclude questa possibilità” – risponde Giudice –. È plausibile però che nel nostro universo non si possano mai soddisfare le condizioni che permettano di inviare informazioni indietro nel tempo”.

Aspettiamo dunque che l’iter di revisione dello studio di OPERA abbia luogo secondo il normale processo scientifico prima di dare risposte certe. In ogni caso, poca soddisfazione per gli amanti della fantascienza: si potrà anche continuare a fantasticare di velocità superluminali e viaggi nel tempo, ma la scienza è (giustamente) molto più conservativa e le scoperte non sempre vanno nella direzione dei desideri. Per quelli, resta la science fiction.

[Articolo originariamente pubblicato su ilcambiamento.it  http://www.ilcambiamento.it/culture_cambiamento/neutrini_piu_veloci_luce.html]