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Esplorare l'Universo nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso

articolo di Battistelli Francesco

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Dalla sua istituzione la Fondazione Venanzi ha organizzato in Ancona interessanti conferenze di storia e archeologia, e nell'ultima serie di incontri è stata chiamata a parlare della sua esperienza di ricerca scientifica italiana all'avanguardia in campo internazionale la dottoressa Lucia Votano, già direttore dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dal 2009 al 2013.

Dopo aver tracciato una breve storia dei laboratori del Gran Sasso, sottolineando i pochi anni intercorsi negli anni '80 tra l'approvazione del progetto in Parlamento e il completamento dell'opera con l'avvio dei primi esperimenti, la relatrice ha illustrato con dati e immagini i laboratori sotterranei posti nel cuore della montagna sotto 1.400 metri di roccia (un volume di 180.000 m3 su di una superficie di 17.800 m2) e i laboratori esterni, dove lavora e vive una comunità di quasi 1.000 scienziati provenienti da tutto il mondo.

La domanda principale alla quale si cerca di rispondere è antica quanto l'uomo: "di cosa è fatta la materia che costituisce l'Universo, la natura che ci circonda, noi stessi?". La risposta della scienza, alla quale si era avvicinato il filosofo Democrito affermando più di duemila anni fa che tutto è composto di atomi (che in greco significa "indivisibili"), è che l'universo conosciuto è fatto di materia costituita da pochi mattoni fondamentali. La materia "ordinaria" è costituita da 12 particelle elementari considerate al momento indivisibili, divise in due famiglie: 6 sono quark e vivono strettamente legati formando particelle composte come i protoni e i neutroni, 6 sono leptoni, particelle più leggere come gli elettroni e i neutrini. Queste particelle interagiscono per mezzo di quattro forze fondamentali (gravitazione, elettromagnetismo, forza nucleare forte e forza nucleare debole) dovute allo scambio di altre particelle dette "mediatori delle forze", la più comune delle quali è il fotone, che in particolari frequenze i nostri occhi vedono come luce.

Sotto il Gran Sasso si cerca di osservare questi mattoni fondamentali, e in particolare si va a caccia dell'elusivo "neutrino", una particella senza carica, dalla massa piccolissima, che interagisce pochissimo con il resto della materia e che tutto il mondo grazie ad Enrico Fermi conosce e scrive con il nome italiano. Ma per vedere i neutrini non si può restare in superficie, la pioggia di energetici "raggi cosmici" provenienti dallo spazio ci impedisce di rivelarli, così come il brusio della folla copre un suono appena percettibile o la luce di un faro potente ci impedisce di vedere una distante candela accesa. Così gli scienziati sono costretti a schermare la fonte di rumore cosmico scendendo nelle profondità della terra, perché i neutrini possono attraversare indenni le migliaia di metri di roccia che sovrastano i Laboratori del Gran Sasso.

L'esperimento BOREXINO studia sia i neutrini che riceviamo in abbondanza dal nucleo del Sole (ogni secondo un cm2 della nostra pelle ne riceve 100 miliardi, anche di notte!!!), sia quelli che provengono dal decadimento radioattivo di elementi pesanti all'interno del mantello terrestre. Sono una preziosa fonte di informazioni perché si tratta di luoghi del tutto inaccessibili, e ci possono permettere di confermare la bontà delle teorie che riguardano il funzionamento delle stelle e la struttura dei pianeti. L'esperimento CNGS rivela i neutrini prodotti al CERN e diretti verso il Gran Sasso dopo aver percorso 730 km sotto la superficie terrestre. Questo esperimento permette di studiare l'oscillazione prevista dalla teoria di Bruno Pontecorvo, perché esistono neutrini di tre tipi (sono 3 dei 6 leptoni che formano l'esclusivo club delle 12 particelle elementari), e l'oscillazione, ovvero il passaggio da un tipo all'altro, è una prova indiretta che i neutrini abbiano una massa diversa da zero.

Un altro filone di ricerca dei Laboratori del Gran Sasso è lo studio della componente misteriosa dell'Universo, denominata "materia oscura" per evidenziare la nostra attuale ignoranza. La materia oscura è cinque volte più abbondante della materia ordinaria ed è formata da particelle ancora sconosciute, invisibili perché non assorbono né emettono radiazioni elettromagnetiche. L'unico modo in cui al momento è possibile accorgersi della presenza di materia oscura sono gli effetti gravitazionali sulla materia ordinaria, sulle galassie e sulla stessa luce che proveniente dalle profondità del cosmo viene deviata dal suo percorso rettilineo.

Nei laboratori del Gran Sasso l'esperimento DAMA/LIBRA cerca di rivelare la presenza di materia oscura nell'alone della nostra galassia ricercando gli effetti periodici annuali dovuti al cambio di direzione del nostro pianeta nella sua traiettoria intorno al Sole, mentre l'esperimento XENON cerca di rivelarne i rarissimi urti con le particelle che conosciamo. La ricerca sembra aver dato qualche risultato che deve ricevere conferma, ma la caccia continua e sicuramente nel prossimo futuro ci saranno scoperte che faranno un po' di luce sull'oscurità.

Non è mancato un accenno finale alla difficoltà attraversata dagli Istituti di ricerca italiani, accentuata dall'impossibilità di offrire prospettive ai giovani desiderosi di dedicarsi alla ricerca dopo anni di studio. La riduzione degli investimenti e del ricambio generazionale ha portato alla fuga dei nostri migliori talenti, regalati all'estero dopo anni di formazione, senza avere altri talenti provenienti dai paesi emergenti che possano scegliere il nostro paese. Senza ricerca e cultura un paese non ha prospettive, si spera che un po' di lungimiranza ci porti lontano dal declino in cui siamo sprofondati negli ultimi decenni, e che i nostri connazionali, che hanno partecipato in prima persona alle più importanti ricerche internazionali di astrofisica e fisica delle particelle, possano dare lustro al nostro paese anche entro i nostri confini.


 
Lucia Votano al ...
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Un momento della...
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osservatorio
Questo articolo è stato pubblicato sul giornalino Pulsar (numero 39, anno 2013)

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