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martedì 7 ottobre 2014

Ritratti: Carlo Rubbia

Il modo migliore per aspettare il #Nobel per la #Fisica 2014
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In quel giorno di 30 anni fa (stiamo parlando della seconda settimana di ottobre del 1984) ero, quasi sicuramente, a scuola. Sarà stata la terza elementare e ancora la fisica non era una mia passione. Certo iniziavo bene: quando la maestra chiese cos'era lo spazio, io pensai immediatamente all'universo, ma la domanda non era riferita a quello "spazio", ma a un altro, quello di tipo geometrico. Però non è su quei ricordi che bisogna indulgere, ma su una foto particolare, quella in cui Carlo Rubbia e Simon van der Meer, con due calici, presumibilmente di vino, in mano festeggiano l'annuncio del Nobel per la Fisica
per i loro decisivi contributi al grande progetto che ha guidato la scoperta delle particelle di campo $W$ e $Z$, mediatori dell'interazione debole
La storia di questo Nobel, però, inizia 8 anni prima, nel 1976. In quell'anno, infatti, inizia a operare SPS, il sincrotrone a protoni del CERN originariamente progettato per accelerare le particelle fino a un'energia di 300 GeV.
Quello stesso anno David Cline, Carlo Rubbia e Peter McIntyre proposero di trasformare l'SPS in un collisore di protoni-antiprotoni, con i fasci di protoni e antiprotoni che ruotavano uno opposto all'altro nello stesso tubo per collidere frontalmente. Questo avrebbe permesso energie nel centro di massa in un intervallo tra i 500 e i 700 GeV.(1)
D'altra parte gli antiprotoni vanno in qualche modo raccolti. Il fascio corrispondente venne allora
(...) statisticamente raffreddato nell'accumulatore di antiprotoni a 3.5 GeV, ed è qui che l'esperienza di Simon Van der Meer e collaboratori gioca un ruolo decisivo.(1)
L'interazione debole
L'interazione debole venne introdotta da Enrico Fermi per spiegare i risultati del decadimento beta; fu però Oskar Klein il primo a suggerire l'esistenza di particelle mediatori dell'interazione che chiamò elettro-fotoni, suggerendo così che tali mediatori possedessero una carica elettrica(2).
Successivamente, in un lavoro conclusosi intorno al 1968, Sheldon Glashow, Steven Weinberg e Abdus Salam, portando avanti un approccio non troppo dissimile da quello che portò alla formulazione dell'elettrodinamica quantistica, realizzarono un modello dell'interazione debole che prevedeva non solo i due bosoni carichi ipotizzati da Klein, i $W$, necessari per il decadimento beta, ma anche un nuovo bosone neutro, lo $Z$(2).
Il primo passo nella scoperta di questi tre bosoni fu la rilevazione della corrente neutra presso la camera a bolle delle Gargamelle nel 1973(3):
Per poter scoprire effettivamente tali bosoni, bisognava attendere la costruzione di un acceleratore di particelle, l'SPS al CERN. L'idea proposta da Rubbia(4), di mandare due fasci di protoni e antiprotoni uno contro l'altro era, ad ogni modo, già nell'aria: nel 1956 Kerst discusse un primo schema realistico di collisione tra fasci, mentre è del 1966 la proposta di Budker di far collidere un fascio di protoni contro uno di antiprotoni(2): in questo modo le energie utilizzate per accelerare i fasci erano inferiori rispetto a un esperimento con un fascio contro un bersaglio fisso, mentre l'energia necessaria per la produzione di nuove particelle era di gran lunga superiore. Il punto, però, era che per osservare particelle con entrambe le cariche se non addirittura neutre, era inevitabilmente necessario utilizzare fasci di materia contro fasci di antimateria: Rubbia, Cline e McIntyre semplicemente partendo da queste idee mostrarono come una simile collisione era possibile già con gli acceleratori dell'epoca(4). E' qui che si inserisce l'idea vincente di van der Meer del raffreddamento stocastico, che permetteva l'accumulo di antiprotoni, altrimenti difficili da utilizzare in quantità sufficiente per ottenere risultati apprezzabili, come la scoperta di tre nuovi bosoni, quelli predetti da Glashow, Weinberg e Salam.
E questa scoperta venne alla fine annunciata a gennaio del 1983:
Avrebbero preferito prendessi ingegneria
Carlo Rubbia nasce il 31 marzo del 1934 a Gorizia e, come ricorda in un'intervista con Paola Catapano, la sua famiglia avrebbe voluto per lui un futuro da ingegnere
(...) ma io volevo studiare fisica. Così ci accordammo che se avessi passato l'esame d'ingresso per la Scuola Normale di Pisa, avrei potuto studiare fisica lì, altrimenti avrei dovuto fare ingegneria. C'erano solo 10 posti a Pisa, e mi classificai 11.mo, così persi, e iniziai ingegneria a Milano. Fortunatamente uno studente sconosciuto tra i primi 10 di Pisa (che sarei curioso di incontrare, un giorno) rinunciò e lasciò un posto aperto per il successivo candidato sulla lista d'attesa. Così, tre mesi più tardi, ero a Pisa, a studiare fisica, e rimasi lì e mi divertii molto.
Si laureò nel 1957 con una tesi sperimentale sui raggi cosmici. Quindi si trasferì alla Columbia University dove iniziò una serie di esperimenti sulla cattura nucleare e il decadimento del muone, ottenendo il PhD nel 1959. Il ritorno in Europa nel 1960, per quel CERN che gli permise di ottenere il prestigioso Premio Nobel con la scoperta, raccontata in precedenza, dei bosoni mediatori dell'interazione debole.
Il passo successivo di Rubbia, che ricoprì la carica di direttore del CERN dal gennaio 1989 al dicembre 1993 fu l'LHC:
Il nome LHC fu inventato da noi - da me e da un piccolo gruppo di persone intorno a me. Ricordo Giorgio Brianti dire che l'acronimo LHC non poteva essere utilizzato, poiché significava già Lausanne Hockey Club, che era, al tempo, più popolare per il pubblico laico di una macchina per la collisione di protoni ad alta energia. Oggigiorno le cose sono piuttosto differenti! Iniziammo con un programma che era meno ambizioso del programma statunitense. Gli americani erano in qualche modo ancora "punti sul vivo" dal nostro programma protone-antiprotone, così iniziarono il progetto SSC - il Superconducting Super Collider - che sarebbe stata una macchina enorme, molto più costosa, ma che venne successivamente abbandonata. Così, quando il mio mandato di direttore finì, avevo lasciato un LHC meno l'SSC alla comunità del CERN.
Al Gran Sasso: il progetto ICARUS
Nel frattempo, tra il Nobel e la direzione del CERN, ci fu il sogno di un volo, si potrebbe dire, con il progetto ICARUS del 1977 presso i Laboratori del Gran Sasso.
ICARUS è, in pratica, una nuova generazione di camere a bolle. Vale, a questo punto, spendere un paio di parole sulle camere a bolle: questo è uno strumento che è stato estremamente utile nella storia della fisica delle particelle. Inventata nel 1952 da Donald Glaser, è una camera riempita con un liquido (preferibilmente idrogeno) facilmente ionizzabile: in questo modo una particella carica che attraversa il mezzo o che viene creata al suo interno, genera, cedendo energia, una scia di bolle ionizzate dalla cui rilevazione (scattando delle fotografie con una macchina posta sopra la camera) si possono determinare traiettoria, energia, tipo di particella, fino anche all'identificazione del tipo di interazione, come avviene, per esempio, per la corrente neutra nella foto del 1973 di poco sopra.
Tornando a ICARUS, c'è da osservare che il detector costruito al Gran Sasso è potenzialmente in grado di rilevare i passaggi dei neutrini atmosferici, di quelli solari oltre alla ben più ambiziosa osservazione del primo decadimento di un protone, oltre ad essere in gradi di verificare le oscillazioni dei neutrini. I neutrini, infatti, sono presenti in tre distinti sapori, se così possiamo dire, ognuno associato a neutrini differenti: abbiamo così i neutrini elettronici, i più leggeri; i neutrini muonici, quelli di mezzo; i neutrini tauonici, quelli più pesanti.
Queste oscillazioni vennero previste da Ziro Maki, Masami Nakagawa e Shoichi Sakata nel 1962(6) e successivamente rielaborate nella forma definitiva da Bruno Pontecorvo nel 1967(7) nella forma della famosa matrice Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata: \[\begin{pmatrix} \nu_e \\ \nu_\mu \\ \nu_\tau \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} U_{e1} & U_{e2} & U_{e3}\\ U_{\mu1} & U_{\mu2} & U_{\mu3} \\ U_{\tau1} & U_{\tau2} & U_{\tau3} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \nu_1 \\ \nu_2 \\ \nu_3 \end{pmatrix}\] La prima osservazione di una tale oscillazione è del 1968, cui segue nel 1969 il famoso articolo di Gribov e Pontecorvo, Neutrino astronomy and lepton charge, mentre l'ultimo punto in questa ricerca lo segna OPERA con l'osservazione della prima oscillazione da neutrino muonico a neutrino tauonico. Sperimentalmente, quindi, l'idea è quella di misurare i decadimenti che avvengono all'interno della camera a bolle e da questi determinare quali sono i tipi di neutrini che escono, posto che all'ingresso arrivino neutrini tutti dello stesso sapore.

The ICARUS T600 detector is so far the biggest LAr detector ever built. It has been successfully installed in the Gran Sasso underground laboratory and it is presently collecting data after having smoothly reached the optimal working conditions. LAr is a cheap liquid vastly produced by industry, which potentially permits to realize large mass detectors. ICARUS T600 represents the final milestone of a series of fundamental technological achievements in the last several years; its underground operation demonstrates that the ICARUS technology is now mature and scalable to much larger masses, in the range of tens of kton as required to realize the next generation experiments for neutrino physics and proton decay searches. Finally, the examples of neutrino interaction event analyzed in this paper demonstrate that also the reconstruction procedure is well under control fully exploiting the physical potentiality of this technology.(8)
Rubbiatron: amplificatore di enbergia
Un altro degli interessi di Rubbia è sicuramente quello della produzione dell'energia. Rubbia ha, infatti, spesso detto che il futuro dell'energia mondiale sta nelle fonti rinnovabili e nel nucleare, ma non quelli che abbiamo oggi a disposizione. Bisogna, cioè, investire nella ricerca per rendere queste due fonti rispettivamente più efficienti e sicure. In questo campo, nel 1996, Rubbia propose un amplificatore di energia, noto anche come Rubbiatron, un sistema per produrre energia nucleare più sicura utilizzando il torio. Questi reattori al torio, che al momento sono sviluppati soprattutto dalla Cina, sono stati suggeriti, anche dallo stesso Rubbia, come base per realizzare un buon sistema di propulsione interstellare (pdf).
Non so cosa ci sarà alla pagina successiva e preferirei che sia la natura a decidere ciò che noi fisici scopriremo. Ma una cosa è chiara: con il 96% dell'universo che deve ancora essere scandagliato, siano di fronte a una situazione assolutamente straordinaria, e mi chiedo se un giovane che voglia studiare fisica oggi, e gli si dice che il 96% della massa e dell'energia dell'universo deve ancora essere compreso, si senta eccitato. Ovviamente dovrebbero sentirsi tanto eccitati quanto lo ero io quando mi parlavano delle particelle elementari. La conoscenza innovativa, l'effetto sorpresa, esiste oggi, ancora continua ad esistere ed è molto forte, a patto che vi siano persone in grado di percepirlo.

Poco più di 80 anni fa nasceva Carlo Rubbia, che fu un pioniere del CERN. 60 anni fa nasceva proprio il CERN, l'istituto di ricerca che con i suoi acceleratori ha permesso una serie di scoperte e di verifiche del Modello Standard a un livello, all'epoca della sua progettazione, incredibile. 30 anni fa veniva assegnato il Premio Nobel per la Fisica proprio a Rubbia insieme con van der Meer per la scoperta dei bosoni dell'interazione debole. Oggi verrà assegnato un nuovo Nobel per la Fisica, e questo lungo post che spero siate arrivati a leggere tutto è il mio modo per celebrare, in un unico giorno, Rubbia, il CERN e la fisica.
Gli articoli dei bosoni deboli:

Il lavoro di Glashow, Weinberg e Salam:
Glashow S.L. (1961). Partial-symmetries of weak interactions, Nuclear Physics, 22 (4) 579-588. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0029-5582(61)90469-2
Weinberg S. (1967). A Model of Leptons, Physical Review Letters, 19 (21) 1264-1266. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.19.1264
A. Salam, Proceedings of the 8th Nobel Symposium, Elementary Particle Theory, ed. N. Svartholm (Almqvist and Wiksell, Stockholm, 1968), p. 367

Il lavoro delle collaborazioni UA1 e UA2:
UA1: Arnison G., B. Aubert, C. Bacci, R. Bernabei, A. Bézaguet, R. Bock, M. Calvetti, P. Catz, S. Centro & F. Ceradini & (1981). Some observations on the first events seen at the CERN proton-antiproton collider, Physics Letters B, 107 (4) 320-324. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0370-2693(81)90839-x
Arnison G., B. Aubert, C. Bacci, G. Bauer, A. Bézaguet, R. Böck, T.J.V. Bowcock, M. Calvetti, T. Carroll & P. Catz & (1983). Experimental observation of isolated large transverse energy electrons with associated missing energy at, Physics Letters B, 122 (1) 103-116. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0370-2693(83)91177-2
Arnison G., B. Aubert, C. Bacci, G. Bauer, A. Bézaguet, R. Böck, T.J.V. Bowcock, M. Calvetti, P. Catz & P. Cennini & (1983). Experimental observation of lepton pairs of invariant mass around 95 GeV/c2 at the CERN SPS collider, Physics Letters B, 126 (5) 398-410. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0370-2693(83)90188-0
UA2: Banner M., Ph. Bloch, F. Bonaudi, K. Borer, M. Borghini, J.-C. Chollet, A.G. Clark, C. Conta, P. Darriulat & L. Di Lella & (1983). Observation of single isolated electrons of high transverse momentum in events with missing transverse energy at the CERN p collider, Physics Letters B, 122 (5-6) 476-485. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0370-2693(83)91605-2
Bagnaia P., R. Battiston, Ph. Bloch, F. Bonaudi, K. Borer, M. Borghini, J.-C. Chollet, A.G. Clark, C. Conta & P. Darriulat & (1983). Evidence for Z0→e e− at the CERN p collider, Physics Letters B, 129 (1-2) 130-140. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0370-2693(83)90744-x (pdf)

(1) Daniel Denegri (2003). When CERN saw the end of the alphabet. CERN Courier
(2) Rubbia C. (1985). Experimental observation of the intermediate vector bosons W , W-, and Z0, Reviews of Modern Physics, 57 (3) 699-722. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/revmodphys.57.699 (pdf)
(3) Cline D.B., Mann A.K. & Rubbia C. (1974). The Detection of Neutral Weak Currents, Scientific American, 231 (6) 108-119. DOI:
(4) Rubbia C., McIntyre P. & Cline D. (1977). Producing Massive Neutral Intermediate Vector Bosons with Existing Accelerators, Proceedings of the International Neutrino Conference Aachen 1976, 683-687. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/978-3-322-90614-4_67 (pdf)
(5) van der Meer S. (1981). Stochastic Cooling in the CERN Antiproton Accumulator, IEEE Transactions on Nuclear Science, 28 (3) 1994-1998. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/tns.1981.4331574 (pdf)
(6) Maki Z., Nakagawa M. & Sakata S. (1962). Remarks on the Unified Model of Elementary Particles, Progress of Theoretical Physics, 28 (5) 870-880. DOI: http://dx.doi.org/10.1143/ptp.28.870
(7) Pontecorvo B. (1968). Neutrino Experiments and the Problem of Conservation of Leptonic Charge. Soviet Physics JETP, Vol. 26, p.984 (pdf)
(8) Rubbia, C., Antonello, M., Aprili, P., Baibussinov, B., Ceolin, M., Barzè, L., Benetti, P., Calligarich, E., Canci, N., Carbonara, F., Cavanna, F., Centro, S., Cesana, A., Cieslik, K., Cline, D., Cocco, A., Dabrowska, A., Dequal, D., Dermenev, A., Dolfini, R., Farnese, C., Fava, A., Ferrari, A., Fiorillo, G., Gibin, D., Berzolari, A., Gninenko, S., Golan, T., Guglielmi, A., Haranczyk, M., Holeczek, J., Karbowniczek, P., Kirsanov, M., Kisiel, J., Kochanek, I., Lagoda, J., Lantz, M., Mania, S., Mannocchi, G., Mauri, F., Menegolli, A., Meng, G., Montanari, C., Muraro, S., Otwinowski, S., Palamara, O., Palczewski, T., Periale, L., Piazzoli, A., Picchi, P., Pietropaolo, F., Plonski, P., Prata, M., Przewlocki, P., Rappoldi, A., Raselli, G., Rossella, M., Sala, P., Scantamburlo, E., Scaramelli, A., Segreto, E., Sergiampietri, F., Sobczyk, J., Stefan, D., Stepaniak, J., Sulej, R., Szarska, M., Terrani, M., Varanini, F., Ventura, S., Vignoli, C., Wachala, T., Wang, H., Yang, X., Zalewska, A., Zaremba, K., & Zmuda, J. (2011). Underground operation of the ICARUS T600 LAr-TPC: first results Journal of Instrumentation, 6 (07) DOI: 10.1088/1748-0221/6/07/P07011 (arXiv | CERN)

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