Comunicazione Premio Nobel

Catalina Curceanu,
INFN-LNF

I quark sono i costituenti fondamentali di molte altre particelle, ad esempio dei protoni e dei neutroni. Interagiscono tra di loro mediante scambio di altre particelle, chiamate gluoni. Nella materia ordinaria quark e gluoni sono permanentemente confinati all’interno di altre particelle, e non possono esistere allo stato libero. Il Plasma di Quark e Gluoni, o Quark-Gluon Plasma, è uno stato estremo della materia, che si ritiene fosse presente nei primi microsecondi di vita dell’Universo, in cui i quark e i gluoni potevano invece muoversi liberamente. Le condizione fisiche per ricreare questo stato primordiale della materia e studiarne le proprietà in laboratorio possono essere riprodotte, per tempi brevissimi, facendo collidere tra loro dei nuclei pesanti accelerati a energie ultrarelativistiche negli acceleratori di particelle. Verranno introdotti gli elementi di base della fisica del Plasma di Quark e Gluoni, e si discuterà lo stato delle conoscenze sperimentali attuali, in particolare sulla base dei dati raccolti recentemente al Large Hadron Collider del CERN.

Da sempre l'uomo si interroga sul suo posto nell'universo e si chiede se il nostro pianeta sia l'unico a essere abitato. Cercare una risposta a questa domanda richiede, da un lato, una migliore comprensione dei meccanismi che rendono un pianeta adatto alla vita; dall’altro, l’osservazione e lo studio di un gran numero di sistemi planetari attorno ad altre stelle, o esopianeti, per provare a capire se le condizioni verificatesi sul nostro pianeta siano comuni o rare. Negli ultimi anni abbiamo fatto enormi progressi nella direzione di una possibile risposta. Ormai conosciamo oltre 3500 esopianeti, e nei prossimi anni studieremo con sempre maggiore dettaglio le loro caratteristiche fisiche. Questo ci permetterà di individuare candidati che potrebbero avere le caratteristiche adatte a ospitare la vita. Allo stesso tempo, anche l'esplorazione del nostro sistema solare potrebbe riservarci qualche sorpresa, attraverso lo studio di ambienti un tempo ritenuti inospitali, come le lune ghiacciate dei pianeti giganti. Con un po' di fortuna, la risposta alla domanda:"siamo soli nell'universo?" potrebbe non essere molto lontana.

La scoperta del bosone di Higgs e la rivelazione delle onde gravitazionali hanno rafforzato la solidità dei due grandi schemi teorici che descrivono l’Universo dalle sue dimensioni più piccole - Modello Standard delle particelle elementari (microcosmo) – a quelle più grandi - Modello Standard della cosmologia (la teoria del Big Bang – macrocosmo). Intendo mostrare come le risposte dei due Modelli Standard rappresentino sì un eccezionale progresso della nostra conoscenza, ma, al tempo stesso, presenterò l’immenso baratro che si apre davanti alla nostra sete di conoscenza dopo l’avvento e la conferma di tali due teorie. È il "lato oscuro" di un Universo che non cessa di sorprenderci. Materia oscura, energia oscura, natura dei neutrini, espansione accelerata dell’Universo primordiale (inflazione cosmica), l’esistenza stessa della materia di cui noi siamo fatti rimangono ancora grandi misteri che ci spingono dalla "terra cognita" dei due Modelli Standard alla "terra incognita" di una ancora sconosciuta Nuova Fisica.

E’ passato poco più di mezzo secolo da quando Theodore Maiman "accese" il suo rubino sintetico producendo la prima luce laser della storia. Oltre cinquant'anni in cui un'invenzione predestinata ad avere un successo straordinario ha mantenuto tutte le sue promesse e continua a stupire per le sue infinite applicazioni. Tanto successo che nell'era delle grandi macchine acceleratrici, l'inedita accoppiata di laser e plasma ci fa intravedere un futuro di acceleratori molto più potenti e compatti degli attuali. Poche innovazioni tecnologiche come quella del laser possono vantare un successo così trasversale. Dalla ricerca di base a quella applicata, dai processi di produzione industriale all'intrattenimento e alla vita quotidiana, i laser sono ormai presenti un po' ovunque e sempre più fanno impallidire la fantasia degli autori di fantascienza. Il primo laser a raggi X ne è un esempio: noto come Linac Coherent Light Source (LCLS), è alimentato da un acceleratore lineare di particelle, presso lo SLAC National Accelerator Laboratory. Sottoponendo atomi, molecole e materiali solidi a impulsi di raggi X ad alta intensità, sono stati prodotti stati esotici della materia che non esistono in nessun'altra parte dell’universo. Usato come una sorta di microscopio, il laser a raggi X verrà utilizzato per fotografare il moto degli atomi, catturare immagini ad alta velocità di proteine e virus e registrare trasformazioni fisiche e chimiche che durano meno di un milionesimo di milionesimo di secondo. Dopo una breve rassegna storica cercheremo di intravvedere come il laser continuerà ad estendere la sua luce sul futuro della scienza e della vita quotidiana.

Sebbene sia stata la prima ad essere individuata dall’uomo, la gravità è senza ombra di dubbio la più misteriosa tra le forze fondamentali note. La questione della sua natura ultima è stata sempre al centro della riflessione degli scienziati ed è tuttora fonte di idee originali e insospettate connessioni tra campi d’indagine completamente diversi della Fisica. Nel seminario ripercorreremo l’evoluzione delle idee circa la natura della gravità, con particolare attenzione a quelle emerse negli ultimi due decenni.

Le attività svolte da Enti di Ricerca ed Università, e collettivamente note come "Terza Missione", costituiscono effettivamente una serie di occasioni per lo sviluppo economico, culturale e sociale del territorio di riferimento. Basandosi sui dati pubblicati, e sulla analisi svolta da ANVUR nel quadro della Valutazione Qualità della Ricerca (2011-2014), verranno presentati alcuni esempi ed indicate alcune delle opportunità che possono essere colte. Inoltre verrà presentato il ruolo specifico che la Terza Missione assume negli Enti di Ricerca in generale, e nell'INFN in particolare, alla luce dei recenti sviluppi legislativi. Verrà inoltre mostrato come le comunità di riferimento possano sfruttare questa strada per stimolare un rapporto più stretto, e più fecondo, con le strutture di ricerca e di alta formazione in prossimità.

Nel 2016, dopo quasi mezzo secolo di ricerche e a 100 anni esatti dalla loro previsione teorica, sono state scoperte le onde gravitazionali. Questo risultato, insieme ai recenti sviluppi dell’Astrofisica di alta energia e alla prima rivelazione di neutrini di origine extra-galattica, apre un nuovo e fondamentale filone di ricerca noto come Astrofisica Multi-Messenger o Fisica delle Astroparticelle. Si illustreranno i temi fondamentali di questo nuovo settore e si discuteranno alcuni risultati molto recenti.

I neutrini sono le particelle più elusive dell’universo finora conosciute. Anche se la loro esistenza venne prevista più di 80 anni fa, molti aspetti della loro natura rappresentano ancora un mistero. Il doppio decadimento beta senza neutrini è un processo che, se osservato sperimentalmente, sarebbe una sorgente di informazioni fondamentale sulla natura e sulle proprietà del neutrino. Questo processo coinvolge il decadimento di nuclei atomici, pertanto lo studio della fisica nucleare è essenziale per la sua descrizione. In particolare, alcune ben precise reazioni nucleari, le reazioni di doppio scambio di carica, hanno molti aspetti in comune con il processo di doppio decadimento beta. Essi coinvolgono gli stessi stati nucleari iniziali e finali e anche l’operatore che determina la transizione ha numerose analogie. Il progetto NURE, supportato dall’European Research Council (ERC) prevede di effettuare una campagna di esperimenti presso i Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN utilizzando fasci accelerati su diversi nuclei bersaglio che sono candidati per il doppio decadimento beta.

Un modo alternativo e (si spera) divertente di ripercorrere alcuni dei principali argomenti di fisica che ogni studente del liceo ha affrontato durante il percorso di studi. Tutto ciò abbandonando qualsiasi tipo di formalismo e rigore didattico per essere in pieno stile Famelab, ossia facendo uso solo di qualche oggetto portato da casa senza l’aiuto di strumenti multimediali.