Le ricerche di un fisico alla frontiera dell’alta energia
Specialista della fisica del neutrino, il ricercatore Antonio Ereditato è impegnato in una serie di importanti esperimenti di punta nell’ambito della fisica delle particelle elementari. swissinfo.ch lo ha incontrato per conoscere la portata e il valore di queste ricerche.
Il professore Antonio Ereditato dirige l’Istituto di fisica sperimentale delle alte energie all’Università di Berna ed è l’ideatore dell’esperimento OPERA con il quale si è riusciti a registrare l’oscillazione del neutrino. Questa osservazione potrebbe riscrivere le teorie sulla natura dell’universo e svelare l’origine della Materia Oscura.
swissinfo.ch: Oggi il neutrino è uno degli argomenti più caldi e interessanti della fisica delle particelle. In che direzione si muovono le vostre ricerche su questa particella?
Antonio Ereditato: Diciamo sempre che gran parte delle più grandi scoperte fatte negli ultimi 10-20 anni sono avvenute nell’ambito della fisica del neutrino. Ma abbiamo appena cominciato a capire cosa c’è dietro questa particella e dobbiamo quindi fare ancora molti studi.
In Europa e nel mondo sono in corso molte ricerche. Noi studiamo in particolare l’oscillazione dei neutrini, un meccanismo abbastanza complesso per il quale un neutrino di un certo tipo si trasforma in un neutrino di altro tipo durante il suo viaggio dalla produzione alla rivelazione.
swissinfo.ch: Uno degli esperimenti che indagano su queste oscillazioni è OPERA, esperimento che state conducendo in collaborazione con i laboratori del CERN di Ginevra e del Gran Sasso in Italia e di cui proprio recentemente avete reso noto il primo risultato positivo. Come funziona OPERA e che genere di conoscenze vi proponete di raggiungere?
A. E.: Dal CERN creiamo un fascio di neutrini che ogni tanti secondi viene emesso in direzione dei laboratori del Gran Sasso. Questo fascio viaggia indisturbato sotto la crosta terrestre – perché i neutrini interagiscono molto poco – e raggiunge i laboratori del Gran Sasso dopo un viaggio di circa 730 km percorso in circa 3 millisecondi. Lì ad aspettarlo c’è il rivelatore OPERA.
Il nostro obiettivo è di rivelare, cioè vedere, l’apparizione di un neutrino del tipo tau in un fascio di neutrini prodotti al CERN di tipo completamente diverso. E dopo oltre 3 anni di lavoro abbiamo registrato il primo evento – che con un po’ di prudenza chiamiamo candidato – dell’avvenuta trasformazione o oscillazione di uno dei tanti neutrini di tipo muonico in un neutrino di tipo tau.
Se questo primo evento verrà confermato da altre 5-6 osservazioni potremo parlare effettivamente di una grossa scoperta che ci permetterà di approfondire le conoscenze sulle caratteristiche del neutrino, in particolare sulla sua massa. I nostri esperimenti indicano in maniera chiara che il neutrino ha una massa, ma che questa è estremamente più piccola di quella delle altre particelle. Le implicazioni delle sue dimensioni potrebbero essere molto importanti a livello cosmologico.
swissinfo.ch: Anche T2K, l’esperimento che state conducendo in Giappone è sulla fisica del neutrino. Si propone di affrontare lo stesso studio?
A. E.: Certo, conduciamo questo esperimento per continuità scientifica. È chiaro che quando si inizia una linea scientifica si intende arrivare fino alla fine e gli esperimenti hanno delle generazioni.
T2K, l’esperimento che facciamo in Giappone è il prossimo passo dopo OPERA. Quest’ultimo sta già funzionando da alcuni anni e T2K è appena cominciato, quindi siamo in diretta continuità logica e scientifica.
swissinfo.ch: In questo esperimento vi ponete gli stessi obiettivi che in OPERA?
A.E.: Gli obiettivi di T2K sono ancora più sofisticati nel senso che si cercano effetti ancora più piccoli. In particolare studieremo l’oscillazione tra altri due tipi di neutrino, il neutrino mu, ancora una volta, ma in neutrino elettronico.
E lei può dire che questa sembra un po’ una ripetizione. Invece no, perché con questo tipo di studio noi riusciremo ad avere un’informazione che ci mancava sulle caratteristiche di mescolamento.
Cioè noi sappiamo che in natura esistono tre tipi di neutrino: elettronico, mu e tau. Allora se queste oscillazioni avvengono, ci aspettiamo che avvengano tra tutti e tre i tipi di neutrino e studiando tutte le possibili combinazioni, ricostruiamo nel suo complesso la cosiddetta matrice di mescolamento che è un insieme di numeri che ci dicono quanto sono probabili le varie transizioni.
Questo studio è stato fatto nel corso degli anni per i quark, ma non era mai stato fatto per i leptoni, in particolare per i neutrini. E la conoscenza di questa matrice ci chiarirà molti aspetti ancora sconosciuti sia a livello particellare che, ancora una volta, a livello del grande, del cosmo, dell’universo.
swissinfo.ch: Oltre agli esperimenti in Italia e Giappone, qui a Berna, insieme ai suoi collaboratori sta mettendo a punto altri rivelatori di particelle.
A. E.: Sì, nel nostro laboratorio abbiamo una sviluppata attività di ricerca di nuovi rivelatori e l’obiettivo è quello di costruire una nuova generazione di rivelatori per i neutrini. È nostra intenzione pensare alla prossima generazione dopo gli esperimenti che stiamo conducendo.
In particolare stiamo sviluppando le cosiddette camere a proiezione temporale, cioè dei rivelatori di particelle immersi in argon liquido. Si tratta di un tipo di rivelatore molto, molto moderno sul quale abbiamo una certa competenza anche in ambito internazionale.
swissinfo.ch: Uno dei progetti più importanti del vostro istituto è comunque ATLAS, che prende il nome dal rivelatore situato al CERN di Ginevra ed è uno strumento che ha il compito di catturare le particelle emesse dall’acceleratore LHC. Che obiettivo vi siete prefissati con questo progetto?
A.E.: ATLAS è una collaborazione internazionale di oltre 2000 persone ed è un grande progetto di fisica di frontiera: la frontiera dell’alta energia, cioè la terra incognita. Noi andiamo a studiare le condizioni della materia presenti pochissimi istanti dopo il Big Bang e il nostro obiettivo è quindi capire com’era il nostro universo in quegli istanti.
In maniera più tecnica, ricerchiamo alcune indicazioni particolari, come ad esempio il bosone di Higgs, questa fantomatica particella responsabile del fatto che le cose che ci circondano hanno una massa.
Poi un altro obiettivo è la ricerca della cosiddetta supersimmetria, cioè una simmetria tra classi di particelle che vediamo oggi distinte e che invece potrebbero essere correlate. Se noi riusciamo a verificare il legame tra alcune particelle potremmo capire molto sul problema dell’unificazione delle forze. Pensiamo cioè che con la supersimmetria la grande unificazione di tutte le forze della natura – la forza forte, la forza gravitazionale, la forza elettromagnetica – sia una cosa possibile.
swissinfo.ch: Che ruolo ha il vostro istituto all’interno del progetto ATLAS?
A. E.: Il compito del gruppo di Berna, insieme ad altri gruppi, è quello del cosiddetto trigger dell’esperimento, cioè della preselezione degli eventi. Immagini che noi dobbiamo far scontrare tantissime particelle prima di trovare quei pochi eventi interessanti.
E abbiamo dei dispositivi elettronici che hanno come compito quello di riuscire a rigettare gli eventi poco interessanti e di concentrarsi su quelli importanti. Poi, è inutile dirlo, siamo molto interessati all’analisi fisica dei dati che raccogliamo, un lavoro certosino e complesso.
swissinfo.ch: Il vostro gruppo conduce anche un’attività applicativa?
A. E.: Sì, abbiamo un obiettivo molto importante: la ricerca fondamentale. Non dobbiamo però mai perdere di vista la possibilità di un uso immediato della nostra ricerca.
Se facciamo scontrare fasci di protoni per studiare il bosone di Higgs, perché non usarli per curare delle malattie? Sul piano applicativo siamo perciò impegnati in un progetto in campo medico con l’Inselspital di Berna.
In particolare stiamo lavorando a una macchina acceleratrice per la produzione di radioisotopi usati per la diagnostica – e questo progetto è già avanzato -, mentre il prossimo passo sarà quello di realizzare una macchina di energia più alta per produrre protoni di energia adeguata alla terapia di determinati tumori.
Paola Beltrame, Berna, swissinfo.ch
Nato nel 1955 a Napoli dove si è laureato in fisica nel 1981, Antonio Ereditato si è perfezionato a Cambridge e a Erice, al Centro di cultura scientifica Ettore Majorana.
Nel 1985 ha ricevuto il premio per giovani ricercatori della Società italiana di Fisica e nel 1996 uno stipendio della Società nipponica per la promozione delle scienze.
Ha lavorato al Centro di ricerche nucleari di Strasburgo, al CERN di Ginevra e per 18 anni al Centro di ricerche dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Napoli, di cui nel 1998 è diventato direttore di ricerca. Ha inoltre insegnato nelle Università di Torino, Salerno e Napoli.
Dal 2006 dirige l’Istituto di Fisica delle alte energie all’Università di Berna.
Antonio Ereditato e il suo team all’università di Berna conducono studi ed esperimenti internazionali in stretta collaborazione con il CERN di Ginevra e con istituti associati in Italia e Giappone. I progetti più importanti sono ATLAS, OPERA e TK2.
Nel laboratorio bernese il gruppo è impegnato nell’attività di ricerca di nuovi rivelatori di particelle tra cui le cosiddette camere a proiezione temporale, cioè dei rivelatori immersi in argon liquido che costituiscono la nuova generazione di rivelatori per neutrini e sono, nel loro genere, veri e propri ‘state of the art’.
Il team di Ereditato sta inoltre studiando anche acceleratori di piccole dimensioni da abbinare a questa nuova generazione di rivelatori ad argon liquido. E oltre a ciò sta lavorando a delle macchine acceleratrici di radioisotopi e protoni per un uso applicativo in campo medico.
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