INFN: Il metro cubo più freddo dell’Universo

COMUNICATO STAMPA

INFN: Il metro cubo più freddo dell’Universo

Comunicato stampa


Arriva dai Laboratori Nazionali del Gran Sasso il record del metro cubo più freddo dell’Universo. Il risultato è stato ottenuto da un team a guida italiana che ha impiegato unatecnologia di frontiera chiamata “cryogen free”.

L’esperimento CUORE che si trova ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN ha ottenuto un record mondiale portando una struttura di rame del volume di un metro cubo alla temperatura di 6 millikelvin: è la prima volta che un esperimento riesce a raggiungere una temperatura così prossima allo zero assoluto (0 Kelvin) con una massa ed un volume di questa entità. La struttura di rame così raffreddata, pari a circa 400 kg, è stata per 15 giorni, il metro cubo più freddo dell’Universo.

CUORE (acronimo per Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) è un esperimento ideato per studiare le proprietà dei neutrini che vede un’importante collaborazione tra Istituto Nazionale di Fisica nucleare e Università di Milano-Bicocca per la realizzazione del sistema criogenico necessario per raffreddarne i rivelatori. In particolare, l’esperimento cerca un fenomeno raro chiamato doppio decadimento beta senza emissione di neutrini. Rivelare questo processo consentirebbe, non solo di determinare la massa dei neutrini, ma anche di dimostrare la loro eventuale natura di particelle di Majorana fornendo una possibile interpretazione dell’asimmetria tra materia e antimateria che caratterizza il nostro Universo. Cuore è progettato per lavorare in condizioni di ultrafreddo: è infatti composto da cristalli di Tellurite impiegati come bolometri (rivelatori di radiazione) e progettati per funzionare a temperature di circa 10 millikelvin, cioè dieci millesimi di grado sopra lo zero assoluto.

“Si tratta di un risultato importante che testimonia come la scienza italiana raggiunga un solido primato nella tecnologia del ultrafreddo grazie all’integrazione e alla collaborazione tra ricerca, università e aziende. – commenta Carlo Bucci, ricercatore INFN e Spokesperson italiano di CUORE – La temperatura raggiunta nel criostato dell’esperimento, 6 millikelvin, equivale a -273,144 gradi centigradi, una temperatura vicinissima allo zero assoluto pari a -273,15 centigradi. Nessuno ha mai raffreddato a queste temperature una massa di materiale ed un volume simili.”

“Il criostato di CUORE – spiega Angelo Nucciotti, docente di fisica nucleare dell’Università di Milano-Bicocca e responsabile della progettazione del criostato – è unico al mondo non solo per dimensioni e potenza refrigerante ma anche perché, grazie all’utilizzo di materiali appositamente selezionati e di speciali tecniche costruttive, garantisce che l’esperimento si svolga in un ambiente con bassissimi livelli di radioattività. Una volta completo, il rivelatore sarà racchiuso in una copertura di piombo antico di età romana, un materiale caratterizzato da una radioattività intrinseca estremamente bassa che fungerà da schermo.”

La sfida tecnologica posta dalla necessità di raffreddare a pochi millikelvin l’intera massa (quasi 2 tonnellate) dei rivelatori e della struttura in rame che li contiene in un criostato con contaminazioni radioattive minime è stata possibile grazie a una forte collaborazione con partner industriali di altissimo livello come l’olandese Leiden Cryogenics BV, che ha prodotto il refrigeratore a diluizione più potente al mondo, e l’italiana Simic SpA, che ha curato la realizzazione degli schermi in rame del criostato.

Il raffreddamento è stato completato, per la prima volta, nel settembre 2014 da un team di ricerca internazionale guidato da Paolo Gorla dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Il sistema criogenico di Cuore è stato finanziato interamente dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e si basa su una tecnologia di frontiera chiamata “cryogen free” che evita l’impiego dell’elio liquido in quanto risorsa non rinnovabile. Questo eccezionale risultato è stato raggiunto a conclusione di quasi dieci anni di attività di progettazione, costruzione ed ottimizzazione del complesso apparato. Il coordinamento del team di ricerca che ha progettato il sistema criogenico è stato affidato all’Università di Milano-Bicocca.

CUORE è una collaborazione internazionale formata da circa 130 scienziati provenienti da trenta istituzioni in Italia, USA, Cina, Spagna e Francia. Per l’INFN partecipano le sezioni di Milano-Bicocca, Bologna, Genova, Padova, Roma La sapienza, e i Laboratori Nazionali INFN del Gran Sasso, di Frascati e di Legnaro.

Il futuro
Una volta completato Cuore sarà composto da 1000 cristalli di Tellurite e dovrà raffreddare una massa totale di quasi 2 tonnellate. Il rivelatore sarà inoltre schermato con circa 5 tonnellate di piombo romano.

Ufficio Comunicazione INFN

“Osservata” in laboratorio la radiazione di Hawking

FISICA

“Osservata” in laboratorio la radiazione di Hawking

Correva l’anno 1974 quando Stephen Hawking diede il suo contributo più significativo alla fisica teorica e all’astrofisica, dimostrando che i buchi neri non sono poi così “neri”. Maneggiando mirabilmente relatività generale e teoria quantistica dei campi, il fisico britannico appurò che i buchi neri possiedono entropia, e pertanto emettono radiazione secondo i principi della termodinamica. L’emissione di luce e particelle da parte dei buchi neri prende il nome di “radiazione di Hawking”.

Per capire come si produce questa radiazione bisogna pensare che, a causa del principio di indeterminazione quantistica, le fluttuazioni di energia dello spazio vuoto possono essere molto elevate: tanto elevate da produrre coppie particella-antiparticella, che normalmente scompaiono in tempi straordinariamente brevi. Quando questo accade in prossimità dell’orizzonte degli eventi di un buco nero – cioè il “punto di non ritorno”, oltre il quale qualunque cosa viene inevitabilmente inghiottita dal mostro cosmico – una delle due particelle (quella a energia negativa) può attraversare l’orizzonte degli eventi e l’altra (a energia positiva) rimanere nello spazio esterno; tutto questo prima che la coppia scompaia nel nulla. Le particelle e i fotoni “superstiti” costituiscono una vera e propria radiazione che si allontana dal buco nero.

Sfortunatamente, questa teoria è quasi impossibile da dimostrare per via diretta – cioè osservando i buchi neri – perché la radiazione emessa è talmente debole da non essere misurabile dagli strumenti attuali. Nel 1981, tuttavia, William Unruh, fisico alla University of British Columbia, mostrò che  le stesse equazioni che governano il meccanismo di Hawking si possono applicare anche alle onde sonore in particolari fluidi. Ecco quindi un modo indiretto per verificare la teoria di Hawking: si prende un fluido opportuno, si predispone in modo che “imiti” un buco nero, e si osserva se accade qualcosa di analogo alla radiazione di Hawking.

È quello che ha fatto Jeff Steinhauer, ricercatore al Technion di Haifa, in Israele: i risultati sono stati pubblicati nei giorni scorsi con un articolo su Nature Physics. Dopo cinque anni di duro lavoro, lo scienziato ha osservato l’equivalente della radiazione di Hawking in un fluido formato da atomi di rubidio portato estremamente vicino allo zero assoluto. A questa temperatura, l’insieme degli atomi di rubidio si comporta come un unico “oggetto quantistico” su scala macroscopica: è quello che i fisici chiamano condensato di Bose-Einstein.
Per trasformare il rubidio nell’analogo di un buco nero, Steinhauer ha usato due laser: uno serviva per confinare il fluido in una forma a tubo lungo e stretto; l’altro per accelerare il tutto in modo che all’interno di una certa regione si muovesse a una velocità superiore a quella del suono nel fluido stesso. Il confine tra le due regioni rappresenta l’orizzonte degli eventi di un buco nero. Insomma, l’apparato di Steinhauer è una sorta di “buco nero sonoro”, perché intrappola le onde sonore, invece che quelle luminose.

Il problema di questo metodo è che, calcoli alla mano, produce una “radiazione di Hawking” troppo debole per poter essere misurata. Serviva un modo per amplificarla. Steinhauer ha quindi creato nel suo fluido un secondo “orizzonte”, e ha fatto sì che soltanto nella regione tra i due “orizzonti” il condensato si muovesse più rapidamente della velocità del suono. Per inciso, in questo modo il fluido di rubidio si comporta come un buco nero carico elettricamente: si pensa infatti che buchi neri di questo tipo abbiano al loro interno un secondo orizzonte, che in gergo si chiama “orizzonte di Cauchy”.
Le onde sonore rimangono così intrappolate nella regione tra i due orizzonti, rimbalzando continuamente tra essi. Questo le fa entrare in risonanza e, in definitiva, aumentare di ampiezza. Poiché la loro energia è negativa, per mantenere costante l’energia totale del sistema ci sarà un aumento di onde sonore (a energia positiva) emesse fuori dal primo orizzonte. In altre parole, la presenza del secondo orizzonte ha l’effetto di amplificare la “radiazione di Hawking”. Gli studiosi ritengono che lo stesso meccanismo avvenga anche nei buchi neri carichi elettricamente.

Con questo accorgimento, Steinhauer ha potuto effettuare quella che secondo molti è la prima osservazione diretta della radiazione di Hawking in un analogo di un buco nero. «Questo ci dice che il meccanismo di Hawking avviene davvero in natura», commenta lo scienziato israeliano. «Se questo meccanismo funziona in un sistema, probabilmente lo farà anche in altri.»
La reazione della comunità scientifica è stata davvero entusiasta. «Questo è un lavoro davvero notevole», dichiara Daniele Faccio, fisico alla Heriot-Watt University a Edimburgo, in Scozia. «Penso sia corretto dire che ora vediamo per la prima volta una chiara prova del meccanismo di Hawking.» Aggiunge James Anglin, dell’Università di Kaiserslautern, in Germania: «È uno dei più grandi progressi mai effettuati nello studio della radiazione di Hawking».

Lievemente più cauto si mostra Unruh: «Non direi che il caso è chiuso, ma è probabile che siamo quanto mai vicini a risolverlo», sostiene. «Naturalmente un buco nero è diverso da un condensato di Bose-Einstein, e mostrare che il fenomeno avviene in un condensato non dimostra che accada anche nei buchi neri. Comunque – conclude il fisico canadese – questo aumenta senz’altro la fiducia nel fatto che le cose stiano effettivamente così.
La teoria e i risultati dell’esperimento sono troppo simili perché si tratti di una semplice coincidenza.»

Edoardo Amaldi, il contributo italiano alla nascita del Cern

I SESSANT’ANNI DEL CERN

Edoardo Amaldi, il contributo italiano alla nascita del Cern

Il 29 settembre 1954 fu ratificata la convenzione che segnava la nascita del CERN (Centre Européen pour la RechercheNucléaire). Dei dodici stati che già nel luglio dell’anno precedente si erano ufficialmente impegnati nell’impresa, l’Italia arrivò con qualche mese di ritardo alla ratifica finale; ma gli italiani erano stati in prima fila nella complessa fase preliminare di definizione del progetto.
Progetto che era nato negli anni fra il 1948 e il 1950, quando cominciò a diffondersi negli ambienti scientifici di vari paesi europei l’idea di creare un laboratorio comune per le ricerche nucleari, dotandolo di attrezzature delle quali nessuno dei paesi interessati avrebbe potuto, da solo, affrontare la realizzazione.
Il terreno istituzionale per l’elaborazione dell’idea fu offerto dalle varie sedi in cui la questione dell’unità europea, all’indomani della fine del conflitto mondiale, era vivacemente dibattuta. Alla conferenza dell’UNESCO di Losanna del dicembre 1949 la questione della collaborazione nucleare europea fu per la prima volta affrontata pubblicamente.
Lo sviluppo di una possibile iniziativa comune europea in campo scientifico stava evidentemente a cuore aEdoardo Amaldi, che aveva uno specifico interesse alla crescita del settore di ricerca in cui era direttamente impegnato, e che era ben consapevole della difficoltà che i fisici europei avrebbero incontrato a reggere il passo con lo sviluppo impetuoso che la fisica stava conoscendo negli Stati Uniti.

Già nel giugno 1950 Amaldi era ampiamente coinvolto nel dibattito e nelle iniziative internazionali volte a definire il progetto di collaborazione europea e a renderne possibile la realizzazione; in quei mesi si saldò in particolare il rapporto di collaborazione e di amicizia col fisico francese Pierre Auger, personalità autorevole dell’UNESCO.
Se il progetto del laboratorio europeo andò finalmente in porto, larga parte del successo è da ascrivere alla tenacia e alla determinazione del tandem Amaldi-Auger, nell’affrontare il problema tanto sul piano scientifico quanto su quello politico-istituzionale.

Alla conferenza dell’UNESCO tenuta a Firenze nel giugno 1950, l’intervento del fisico americano Isidor Rabiindicò che l’idea di un grande centro di ricerca europeo era vista con favore oltreoceano. Più precisamente, nonostante Rabi non menzionasse esplicitamente la ricerca in fisica nucleare, risultò chiaro il messaggio implicito nel suo intervento: da parte americana non esistevano più pregiudiziali a che si sviluppasse un’iniziativa europea nel settore, fino a quel momento coperto da vincoli imposti dalla prossimità di ciò che era “nucleare” a delicati settori strategici e militari.
Era ormai chiaro che, anche se permaneva la dicitura “nucleare”, ciò di cui si stava parlando era altra cosa, e riguardava essenzialmente la ricerca in fisica fondamentale delle particelle elementari o, come si cominciò a dire all’epoca, in “alte energie”. Nel settembre successivo, ad una riunione dell’Unione Internazionale di Fisica Pura e Applicata, di cui Amaldi era all’epoca presidente, si chiarì la fisionomia del futuro laboratorio, destinato a divenire un centro per la fisica delle alte energie, sede di un acceleratore realizzato su base consorziata da vari paesi europei. L’incarico di predisporre un progetto preliminare fu affidato dalla IUPAP ad Amaldi e aBruno Ferretti, e si decise di creare presso la sede parigina dell’UNESCO un ufficio col compito di condurre gli studi preliminari per la realizzazione del laboratorio europeo.

Dare vita ad un’organizzazione come il CERN era un compito che si scontrava con formidabili problemi di natura tanto politica quanto strettamente scientifica. Non fu facile nei primi tempi ottenere un’adesione unanime ad un progetto che alcuni vedevano come non necessario, o come eccessivamente ambizioso e fuori portata. Varie opposizioni dovettero essere vinte all’interno alla comunità dei fisici, oltre che al livello delle dirigenze politiche, e molte di queste opposizioni vennero proprio da alcuni dei “grandi vecchi” della fisica europea, meno sensibili, per storia personale, tradizione cultural
e e sensibilità alle novità emergenti nel campo, alle necessità inedite imposte dalla nuova situazione creatasi nel dopoguerra.
Furono in primo luogo i “giovani” della generazione formatasi nel corso degli anni Trenta e proiettati dagli eventi su posizioni di responsabilità nell’immediato dopoguerra coloro che credettero più fermamente all’idea e seppero creare quella sinergia tra fisici, manager della ricerca e ambienti politici che si rivelò vincente.
Tra questi, in Italia indiscutibilmente il più attivo, e colui che seguì più da vicino tutte le fasi della realizzazione del progetto, fu  Amaldi, che per il ruolo chiave da lui svolto venne nominato segretario generale dell’organizzazione (il cosiddetto “CERN provvisorio”) durante la fase cruciale che portò dall’idea iniziale alla definitiva ratifica da parte dei governi interessati, tra il 1951 e il 1954. L’intenso impegno dedicato alla costruzione del CERN comportò per Amaldi un drastico ridimensionamento del tempo e delle energie dedicate all’attività di ricerca.
Quando nel 1954 gli fu insistentemente offerta la posizione di direttore generale della nuova istituzione, Amaldi rinunciò, pur accettando di fungere da supporto a Felix Bloch, che fu infine scelto al suo posto per ricoprire la carica.
Ma se il nome di Amaldi non figura nell’elenco dei direttori del laboratorio ginevrino, è sempre stato ben chiaro a chi lo ha realizzato che la sua esistenza deve molto alla visione e alla tenacia dello scienziato italiano.

“Evolución del concepto de naturaleza” será tema de la Plenaria de la Pontificia Academia de las Ciencias

“Evolución del concepto de naturaleza” será tema de la Plenaria de la Pontificia Academia de las Ciencias
Loading
23 de Octubre de 2014

Ciudad del Vaticano (Jueves, 23-10-2014, Gaudium Press) La Plenaria de la Pontificia Academia de las Ciencias, que se realizará del 24 al 28 de octubre en el Vaticano, habrá sobre la “Evolución del concepto de naturaleza”. El tema fue escogido teniendo como base investigaciones recientes sobre la evolución biológica. Según las indagaciones, la naturaleza sigue activamente un progreso lento, pero constante, rumbo a una biodiversidad más rica y sustentable.

Ciencias.jpg

En un comunicado de la Pontificia Academia de las Ciencias se resalta que “el hombre, en el transcurso de su evolución cultural, aprendió a aplicar el saber científico adquirido en pro de su vida y del medio ambiente. Para prevenir los riesgos conjeturales de esas aplicaciones, sobre todo tecnológicas, es aconsejable certificarse que las mismas no violan las leyes de la naturaleza”.

La Plenaria tendrá como objetivo inmediato analizar informaciones provenientes de una vasta gama de disciplinas científicas sobre los principales conceptos de naturaleza.

De acuerdo con la Pontificia Academia de las Ciencias, la documentación reunida podría resultar útil para formular recomendaciones a la Iglesia y al mundo político, como base en el progreso futuro de nuestra evolución cultural. (JSG)

De la Redacción, con información de Radio Vaticana.

Contenido publicado en es.gaudiumpress.org, en el enlacehttp://es.gaudiumpress.org/content/64056#ixzz3H65Xy7ts
Se autoriza su publicación desde que cite la fuente.