Il ciclo di conferenze International Workshop on Neutrino Telescopesgode di una lunga storica tradizione, inaugurata nel 1988 per iniziativa della Prof.ssa Milla Baldo Ceolin come tavola rotonda per stimolare innovazioni e sinergie trasversali tra varie comunità scientifiche. La conferenza si è dedicata a due aspetti distintivi della fisica del neutrino: lo studio delle proprietà della materia e delle interazioni fondamentali e le enormi potenzialità d’indagine astrofisica e cosmologica in qualità di messaggero cosmico.
Negli anni questa impostazione si è consolidata promuovendo la conferenza ad un appuntamento immancabile per la comunità internazionale della fisica del neutrino, impegnata in una lunga serie di risultati d’avanguardia, coronati da 4 successivi premi Nobel.
Giunto alla sua XIX edizione, il Workshop, noto anche come “NeuTel”, si aprirà il 18 Febbraio 2021 con il saluto del Rettore dell’Università di Padova e del Presidente dell’INFN. A causa della pandemia di Covid-19, l’evento ha dovuto abbandonare la prestigiosa sede dell’Istituto Veneto di Scienze, Lettere ed Arti a Venezia e si svolgerà in modalità virtuale. Il numero di presentazioni su invito è stato sensibilmente ridotto, ma per la prima volta è aperta la possibilità ai ricercatori di tutto il mondo di proporre contributi. Un occhio di riguardo è dedicato ai giovani, ai quali è riservando uno spazio ed un formato esclusivo (flash talks) per potersi esporre al fianco dei contributi di scienziati con consolidata esperienza.
Questa scelta innovativa è stata premiata dall’adesione di tre Premi Nobel della Fisica, Sheldon Glashow, Carlo Rubbia e Barry Barish, che parleranno nella giornata inaugurale del 18 Febbraio, e dalla ricezione di circa 300 proposte di contributi. Il numero di iscritti alla conferenza è sestuplicato rispetto alle medie degli ultimi anni.
Per il suo eccezionale interesse la giornata inaugurale della conferenza verrà trasmessa in diretta YouTube per consentire libera fruizione da un vasto pubblico.
La rivista scientifica Nature Physics ha appena pubblicato un lavoro dedicato al Muon Collider, l’acceleratore che potrebbe rivelare un enorme potenziale per nuove scoperte e misure di precisione alla frontiera dell’energia, ma la cui realizzazione richiede di superare sfide tecnologiche con studi approfonditi teorici e sperimentali ed ulteriori sviluppi tecnologici. Per studiare e capire l’effettiva possibilità di realizzare questo tipo di acceleratori gli scienziati stanno costituendo una collaborazione internazionale in cui l’Italia, con le ricercatrici e i ricercatori dell’INFN, gioca un ruolo strategico. Il progetto si svilupperà attraverso lo studio del complesso di macchine acceleratrici e dell’apparato sperimentale di rivelazione affrontando le sfide tecnologiche più importanti, oggi argomento di ricerca e sviluppo (R&D). Si valuteranno i rischi e i costi per proseguire con un “Conceptual Design Report “ da presentare al prossimo aggiornamento della Strategia Europea della fisica delle Particelle nel 2027. “L’acceleratore di muoni è forse il meno costoso e il più difficile di tutti gli acceleratori che sono stati proposti alla Strategia Europea della Fisica delle Particelle” sottolinea Lucio Rossi, capo del gruppo INFN-Accelerator. “Questo è precisamente il motivo per cui è così eccitante per gli scienziati e gli ingegneri degli acceleratori che amano nuove sfide e aprono nuovi percorsi”.
Dagli acceleratori a elettroni e protoni ai collider a muoni Negli ultimi 50 anni generazioni di acceleratori e di scienziati hanno indagato con sempre maggiore precisione, e a energie sempre più elevate, i costituenti fondamentali della materia e delle forze che determinano le loro interazioni. La scoperta del bosone di Higgs nel 2012, al Cern con il Large Hadron Collider (LHC), è uno degli esempi recenti del successo di queste macchine. Per poter fare il passo successivo e aumentare in modo significativo l’energia a cui si fanno scontrare le particelle, senza dover costruire macchine di dimensioni molto grandi, serve un importante sviluppo tecnologico che al momento richiede ulteriori studi. Esiste però la possibilità di cambiare paradigma e passare a far scontrare i muoni, particelle diverse da quelle che sono state usate fino ad ora, i protoni e gli elettroni. I muoni sono particelle elementari, simili agli elettroni ma 200 volte più pesanti. Per le loro caratteristiche è possibile immaginare un acceleratore circolare in cui far scontrare (collidere) muoni di carica opposta a energie molto elevate, nell’ordine dei multi-TeraElettronvolt, superando il limite di scoperta raggiungibile a Large Hadron Collider che invece utilizza protoni. Grazie agli studi, alle misure sperimentali condotti principalmente negli Stati Uniti, nel Regno Unito e al CERN e all’idea innovativa di LEMMA (nata ai Laboratori Nazionali di Frascati -LNF) la Stategia Europea della Fisica delle Particelle, nel giugno scorso, ha raccomandato di formare una collaborazione internazionale per studiare e capire l’effettiva possibilità di realizzare un Muon Collider che raggiunga le energie del multi-TeraElettronvolt, dimostrandone la potenzialità di misura e di scoperta. Le principali sfide da affrontare per costruire l’acceleratore a muoni e i suoi rivelatori sono dovute alla breve vita media di queste particelle. È necessario poter accelerare rapidamente ad alte energie i muoni e avere campi magnetici elevati per mantenere i fasci ad alta intensità, in modo da fornire la luminosità necessaria per lo studio di questi processi fisici. Poiché i prodotti di decadimento dei muoni costituiscono un rumore di fondo, che può rendere difficile lo studio dei segnali di fisica, è necessario sviluppare un nuovo concetto di rivelatore con un’interfaccia macchina-rivelatore dedicata per mitigare gli effetti negativi.
Una sfida internazionale “La comunità italiana ha da subito partecipato attivamente a tutti gli studi che hanno permesso di ottenere la recente raccomandazione della Strategia Europea. L’idea innovativa di LNF di una sorgente di muoni, LEMMA, prodotti da un fascio di positroni ha stimolato nuovamente l’interesse in Italia ed in Europa” commenta Nadia Pastrone, ricercatrice della sezione INFN di Torino e responsabile nazionale del progetto Muon collider. “Oggi siamo fortemente coinvolti nella collaborazione internazionale con un centinaio di fisici ed ingegneri di 13 sezioni INFN impegnati sugli studi di fisica, sugli sviluppi dei rivelatori e sulla comprensione del fondo di macchina”. Negli Stati Uniti, durante il processo di aggiornamento della Strategia della fisica delle alte energie “SnowMass”, attualmente in corso, le potenzialità degli acceleratori di muoni alla frontiera dell’energia stanno ricevendo una grande attenzione. È stato, infatti, istituito un Muon Collider Forum per aiutare a coordinare le discussioni che spaziano dalla teoria, alle attività sperimentali e agli acceleratori. “Grazie alla collaborazione con i colleghi americani si portano avanti gli studi sul futuro Muon collider.” commenta Donatella Lucchesi, professoressa dell’Università di Padova e ricercatrice INFN. “Sfruttando le infrastrutture di calcolo INFN è stato possibile sviluppare la simulazione dettagliata del rivelatore e di alcuni processi di fisica chiave, come i decadimenti del bosone di Higgs, e dimostrare che i risultati attesi sono molto competitivi rispetto agli altri collider proposti per il futuro”. Lorenzo Sestini, ricercatore INFN della sezione di Padova, continua “la nostra sezione ha dato un contributo determinate a questi studi, mettendo a punto la piattaforma di simulazione del rivelatore che potrebbe essere collocato al Muon Collider. Questo è stato possibile grazie al lavoro dei nostril tecnologi informatici e dei ricercatori della sezione, ed all’utilizzo delle risorse di calcolo disponibili nel sistema Cloud-Veneto.”
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I neutrini sono particelle fondamentali per la comprensione della natura. Purtroppo, però, pur essendo prodotti in grandissima quantità in molti processi fisici del nostro universo, sono estremamente sfuggenti perché interagiscono pochissimo con la materia. È perciò necessario ingaggiare sfide tecnologiche sempre nuove per realizzare esperimenti più sensibili. Imprese scientifiche decisive perché capire a fondo queste particelle porterebbe a una svolta per le nostre conoscenze e potrebbe anche aprirci le porte della Nuova Fisica, oltre l’attuale teoria del Modello Standard. Lo studio di un particolare processo, previsto essere estremamente raro e chiamato doppio decadimento beta senza emissione di neutrini, è indirizzato a comprendere un aspetto fondamentale della natura del neutrino: la caratteristica di coincidere o meno con la sua antiparticella. Tale processo, se osservato, ci consentirebbe di affermare che il neutrino è una particella di Majorana (coinciderebbe, appunto, con la sua antiparticella) e permetterebbe la determinazione della massa del neutrino. L’esperimento GERDA (GERmanium Detector Array), ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) sta indagando questo processo utilizzando una tecnologia basata su cristalli di germanio arricchiti dell’isotopo 76Ge. L’esperimento ha pubblicato ieri 17 dicembre su Physical Review Letters il limite più stringente sul tempo di dimezzamento di questo decadimento raro fissandolo a 1,8·1026 anni, più di un milione di miliardi di volte la vita dell’universo. Questo eccezionale risultato è stato ottenuto grazie al limitatissimo numero di eventi di fondo nella regione del segnale, 5,2·10-4 conteggi/(keV·kg·anno): il più basso livello mai ottenuto al mondo in esperimenti simili. GERDA conferma così di aver raggiunto tutti gli obiettivi che si era proposto, dimostrando l’opportunità per una nuova generazione di esperimenti con sensibilità ancora più elevata. “Con i risultati pubblicati coroniamo l’upgrade del rivelatore iniziato alcuni anni fa. Tutti gli obbiettivi fissati: sensibilità, livello dei fondi, quantità di dati raccolti sono stati raggiunti anzi in alcuni casi migliorati e, fatto che non guasta, ottenuti sostanzialmente entro i tempi previsti.” dice Riccardo Brugnera, spokesperson della collaborazione internazionale GERDA, professore dell’Università di Padova e associato della Sezione di Padova “Tutto questo è un ottimo inizio per il più ambizioso progetto LEGEND, che basandosi sulle scelte fatte in GERDA, porterà a migliorare di un fattore 100 la sensibilità”.
Il doppio decadimento beta senza neutrini È un processo non previsto dal Modello Standard, in cui due neutroni all’interno di un nucleo (76Ge nel caso di GERDA) si trasformano simultaneamente in due protoni e due elettroni senza l’emissione di due antineutrini. La sua rivelazione avrebbe profonde implicazioni per la fisica delle particelle elementari e per la cosmologia: implicherebbe la violazione dell’invarianza del numero leptonico, la natura di Majorana dei neutrini, la possibilità di determinare la massa dei neutrini, mai misurata da nessun altro esperimento, e un importante aiuto alla comprensione del fatto che nell’universo c’è molta più materia che antimateria.
La sfida tecnologica nella ricerca del doppio decadimento beta senza emissione di neutrini La storia della ricerca del doppio decadimento beta senza neutrini inizia proprio con un rivelatore a germanio di soli 0,1 kg scelto dal gruppo di ricerca della Sezione INFN e dell’Università di Milano, guidato da Ettore Fiorini, per la sua eccellente risoluzione energetica. Da allora la sensibilità sperimentale è aumentata di un fattore un milione. Essenziali in questo progresso sono stati il continuo aumento della massa dei rivelatori (che costituiscono anche la sorgente dei decadimenti), la forte riduzione degli eventi di fondo nella regione dove ci si aspetta il segnale, l’ottimizzazione delle installazioni sotterranee per ridurre il fondo dovuto ai raggi cosmici, e l’arricchimento dei rivelatori nell’isotopo 76 del germanio dalla frazione naturale del 7,8% a circa il 90%. L’esperimento GERDA ha iniziato a funzionare nel 2011 nelle sale sperimentali sotterranee dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, che proteggono l’esperimento dai raggi cosmici grazie allo strato di roccia sovrastante di circa 1400 metri, equivalente a uno spessore di 3500 metri di acqua. Nella configurazione finale dell’esperimento, sono stati impiegati 41 rivelatori al germanio per una massa totale di 44,2 kg con un arricchimento di circa l’87% nell’isotopo 76. La chiave del successo è stato l’impiego di tecniche pionieristiche: differentemente dai precedenti esperimenti al germanio, i rivelatori di GERDA sono fatti funzionare “nudi”, cioè senza il loro incapsulamento, entro un criostato contenete argon liquido ultrapuro alla temperatura di 87 gradi Kelvin (-186 gradi Celsius), che agisce sia come mezzo di raffreddamento, sia come schermatura dagli eventi di fondo. Questa configurazione, riducendo la quantità di materia attorno ai rivelatori, aiuta a minimizzare la radioattività naturale. La soppressione attiva del fondo si avvale di due tecniche complementari. Da una parte nell’argon liquido sono stati posti dei rivelatori di luce che possono indicare se un segnale nei rivelatori a germanio proviene dal fondo radioattivo naturale, dall’altra lo studio del profilo temporale dei segnali raccolti dai rivelatori permette di discriminare ulteriormente tra eventi di fondo e di segnale. Infine, rivelatori e criostato sono immersi in un contenitore di acqua ultrapura come ulteriore schermo contro fotoni, neutroni e muoni. Durante gli anni di funzionamento dell’apparato, la collaborazione GERDA ha sviluppato rivelatori di disegno nuovo e tecniche di analisi innovative per poter sfruttare al meglio le potenzialità dell’apparato. L’esperienza guadagnata in GERDA porta a ritenere che si possa ridurre ulteriormente il livello di fondo, in modo da poter progettare un esperimento con una massa di germanio ben più elevata e capace di ridurre gli eventi indesiderati (eventi di fondo) a tal punto che, per l’intera presa dati, lunga parecchi anni, non si dovrebbe registrare alcun evento di fondo nell’intervallo di ricerca fissato dalla risoluzione energetica dei rivelatori. Il futuro esperimento LEGEND ha appunto lo scopo di aumentare la sensibilità sul tempo di dimezzamento del decadimento doppio decadimento beta senza neutrini fino a 1028 anni (cento volte di più del risultato di GERDA). In una prima fase, chiamata LEGEND-200, nella stessa infrastruttura di GERDA, verranno impiegati 200 kg di rivelatori a germanio.
Il gruppo di Padova ha contribuito in modo importante al successo dell’esperimento. Ha avuto la responsabilità della realizzazione dello slow control generale dell’esperimento, ha coordinato la caratterizzazione in Belgio dei rivelatori BEGe (fondamentali per raggiungere gli obbiettivi proposti), ha inoltre sviluppato la simulazione di Monte Carlo dei fondi radioattivi e della propagazione della luce di scintillazione dell’argon liquido.
Ricostruire, in totale sicurezza, una mappa di densità in 3D del combustibile esausto contenuto nei depositi delle centrali nucleari europee grazie a una tecnologia sviluppata dalla fisica delle particelle. Sarà questo il compito del progetto MuTomCa (MUon TOmography for CAstors) che prevede la costruzione di un rivelatore a muoni, particelle simili agli elettroni ma con una massa circa 200 volte superiore, in grado di restituire un’immagine tomografica molto precisa dell’interno dei contenitori, in cui è stoccato il combustibile esausto, operando dall’esterno. In Europa, attualmente, esistono circa 1500 contenitori su cui potrebbe essere applicata questa tecnologia. “Questa attività dimostra come le tecnologie sviluppate per la ricerca di base si possano utilizzare per applicazioni di pubblica utilità: laddove le tecnologie convenzionali non funzionano, l’uso di rivelatori e di tecniche di ricostruzione delle tracce delle particelle cariche, tipici degli esperimenti al CERN, porta a nuove interessantissime potenzialità” spiega Paolo Checchia, responsabile scientifico per l’INFN del progetto. Il progetto è frutto di una collaborazione internazionale tra l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italia), il Centro Ricerche Jülich (Germania), il gestore dei depositi di contenitori BGZ (Germania) e la Comunità Europea della Energia Atomica (EURATOM). Ad oggi, non è disponibile alcun metodo sufficientemente preciso per una ri-verifica del combustibile esausto conservato in fusti fortemente schermati con pareti spesse, in cui il combustibile interno è praticamente inaccessibile al rilevamento con neutroni e raggi gamma poiché schermato dai blocchi di combustibile esterno. La rilevanza di questo problema aumenterà con la graduale eliminazione della produzione di energia nucleare dove non fosse disponibile alcuna installazione in loco per aprire i contenitori di combustibile esausto, ai fini di una nuova verifica, nel caso in cui tutte le misure di contenimento e sorveglianza relative alle salvaguardie fallissero. La tomografia muonica è una tecnica che utilizza i muoni, particelle che vengono prodotte quando i raggi cosmici provenienti dallo spazio interagiscono con l’atmosfera terrestre, per ricostruire un’immagine della struttura interna di un oggetto anche molto grande. Mentre i raggi X, con cui si fanno le radiografie, non riescono ad attraversare più di qualche decina di centimetri, i muoni possono attraversare grandi spessori di materia, anche alcuni chilometri. Questa caratteristica permette di impiegare queste particelle per realizzare immagini tridimensionali di strutture di grandi dimensioni dall’esterno e in completa sicurezza.
Il rivelatore Un team di ricerca guidato dai fisici della sezione di Padova dell’INFN, a cui partecipano anche associati della sezione di Genova e di Pavia, sta lavorando alla costruzione di un rivelatore per muoni basato sulla tecnologia dei “tubi a deriva”. Questa tecnologia è frequentemente usata per rivelare particelle cariche ed è usata nei rivelatori a muoni degli esperimenti dell’acceleratore LHC, del Cern , dove ha dato un contributo fondamentale, ad esempio, alla scoperta del bosone di Higgs. Una volta completato, il rivelatore sarà formato da due moduli, ciascuno alto 4 metri e mezzo con una base di 1 metro e mezzo e con un peso di 1 tonnellata. All’interno di ogni modulo, sei strati di 30 o 31 tubi a deriva costituiti da un tubo di alluminio di 5 cm di diametro e riempito con una particolare miscela di gas, con al centro un sottile filo di rame e berillio posto ad una tensione di 3000 V. Al passaggio dei muoni cosmici il rivelatore è in grado di misurarne la posizione e la direzione con estrema precisione e, grazie a questi dati, è possibile riscostruire l’immagine interna della struttura che si andrà ad analizzare. La fase di costruzione e assemblaggio durerà circa 1 anno ed è in corso in Italia. La successiva fase di test si volgerà in Germania e durerà circa 6 mesi. Il team di ricerca di Padova è composto da ricercatori e tecnologi tra dipendenti ed associati: Paolo Andreetto, Massimo Benettoni, Paolo Checchia, Enrico Conti, Franco Gonella, Altea Lorenzon, Fabio Montecassiano e Gianni Zumerle. Tutte le attività sono effettuate col supporto dello staff tecnico (Lorenzo Barcellan, Marco Bettini, Nicola Bez, Lorenzo Castellani, Andrea Colombo, Federico Fabris, Daniele Mazzaro, Loris Ramina, Matteo Turcato, Pier Giuseppe Zatti e altri). Inoltre, il progetto vede la partecipazione di studenti del Corso di Laurea e di Laurea Magistrale in Fisica in qualità di laureandi.
Le applicazioni della tomografia muonica La prima applicazione di questa tecnologia risale alla fine degli anni ’60 quando, nel contesto di un’indagine archeologica in Egitto, furono installati dei rivelatori di muoni nella piramide di Chephren, nella piana di Giza, per capire se al suo interno esistessero altre camere ancora da scoprire. All’epoca non se ne trovarono altre. Recentemente, invece, studiando la piramide di Cheope è stata scoperta la presenza di una nuova camera sconosciuta. Le applicazioni più recenti della radiografia muonica interessano, in particolar modo, i vulcani. Installando un rivelatore alla base, è possibile, infatti, avere informazioni sulla struttura interna, in particolare sul condotto vulcanico, che ha una densità diversa rispetto alla roccia che lo circonda tanto da risultare ben visibile nell’immagine. Altre applicazioni dell’uso dei muoni cosmici si possono trovare nei controlli dei mezzi di trasporto per contrastare il contrabbando nucleare, in applicazioni industriali per evitare incidenti dovuti a fusioni di sorgenti radioattive nelle fonderie e per ottimizzare il ciclo degli altoforni. Sarà possibile usare la stessa tecnologia per studiare altri tipi di rifiuti nucleari immagazzinati nei decenni passati in contenitori di cemento che necessitano di esser messi in sicurezza.
L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ha lanciato il 27 novembre l’iniziativa What Next? Giovani che raccontano il futuro!
Giovani tra i 16 e i 30 anni, di qualsiasi formazione e provenienza, saranno invitati a immergersi per un giorno nel mondo della ricerca e a visitare le sedi e i laboratori dell’INFN sparsi su tutto il territorio nazionale. La loro esperienza diventerà parte di un cortometraggio che sarà presentato in numerosi eventi organizzati in varie città d’Italia, con la partecipazione di personalità di spicco del mondo della scienza e della società.
Per partecipare è possibile candidarsi entro il 28 Febbraio 2021, compilando il modulo presente sul sito webnext.infn.it
Bastano pochi passaggi: 1. Scegli una o più aree tematiche di tuo interesse 2. Scegli una tra le sedi in tutta Italia 4. Realizza un video di un minuto in cui racconti di te e le tue passioni 5. Compila il form ed invia il tuo video
Per informazioni e curiosità guarda il video qui sotto e segui l’iniziativa sui social Facebook @whatnext.infn Twitter @WhatNext_Infn instagram @whatnext.infn
Anche quest’anno il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova e la Sezione INFN di Padova organizzano un momento di riflessione sulle tematiche della giornata del 25 Novembre. Data la contingente situazione sanitaria dovuta alla pandemia, l’incontro si svolgerà da remoto, sulla piattaforma ZOOM. Sarà una riflessione per ribadire la ferma condanna di pratiche insopportabili che non possono e non devono appartenerci. Sarà l’occasione per testimoniare con coraggio la vicinanza a chi non ha avuto la forza d’animo di denunciare ed è rimasta vittima dell’indifferenza e della solitudine. A chi ha denunciato e non è stata ascoltata. Perché nessuna si senta sola.
Programma introduzione: dott.ssa P. Salente, INFN-Padova lettura di brani scelti: C. Miletti, INFN-Padova intervento: prof. F. Seno, direttore DFA – UNIPD lettura di brani scelti: C. Miletti, INFN-Padova intervento: dott. C. Broggini, direttore INFN-Padova intervento: Prof. Sandra Moretto, UNIPD lettura di brani scelti: C. Miletti, INFN-Padova
Venetonight – Researchers’ Night è l’iniziativa che fa incontrare ricercatrici e ricercatori con il grande pubblico in differenti città europee in una stessa data: quest’anno l’incontro – che si terrà il 27 Novembre – sarà virtuale. Questo evento rappresenta un’occasione straordinaria per avvicinare, in modo divertente, il pubblico di ogni età al mondo della ricerca, aprire uno spazio di dialogo con la cittadinanza e sensibilizzare alla carriera scientifica. Nella nostra regione va in scena Venetonight, l’evento organizzato dalle Università di Padova, Verona e Venezia Ca’ Foscari e molti enti di ricerca. Il programma completo dell’evento si trova su https://venetonightpadova.it/
Il programma degli interventi è disponibile qui sotto: sarà sufficiente cliccare sul relativo link per collegarsi, senza necessità di prenotazione, e seguire l’intervento scelto. Sarà possibile passare da un evento all’altro, a seconda degli argomenti di interesse, come se si entrasse e uscisse da una stanza.
Gli eventi in diretta saranno coordinati da ricercatrici e ricercatori dei due enti, che si alterneranno per coprire tutta la durata dell’evento, per introdurre e presentare i numerosi interventi previsti.
In questo webinar si susseguiranno collegamenti dai siti sperimentali di grandi esperimenti da tutto il mondo: dalle Canarie al Polo Sud, dagli Stati Uniti al Giappone. Ricercatori e ricercatrici ci racconteranno in diretta dai laboratori gli esperimenti sulla fisica dei neutrini, la ricerca di onde gravitazionali e astronomia multimessenger e saranno disponibili per rispondere alle domande del pubblico.
Programma dettagliato:
16:00 – 17:15 Descrizione di uno strumento MAGICo (Ilaria Viale, Alessia Spolon) 17:30 – 18:30 L’esperimento IceCube al Polo Sud (Elisa Bernardini, Caterina Boscolo Meneguolo) 18:45 – 19:45 L’esperimento ICARUS al FermiLab (Angela Fava) 20:00 – 21:00 Visita a Virgo (Giacomo Ciani) 21:15 – 22:00 Visita a Super Kamiokande (Mathieu Lamoureux , Nataly Ospina e Fabio Jacob)
Una visita virtuale dell’esperimento CMS, uno dei principali in corso al CERN di Ginevra, il mondo delle particelle e l’Universo spiegato ai bambini e tante attività interattive per conoscere l’acceleratore del futuro, dare la caccia a nuova fisica e scoprire le caratteristiche dei neutrini vi aspettano nel corso di questo webinar. La diretta si concluderà con un quiz aperto a tutti: chi riuscirà a riconoscere le tracce delle particelle?
Programma dettagliato:
15:30 – 16:30 CMS visita virtuale (intervento che sarà gestito dal Cern da Ginevra. Locandina) 17:00 – 17:30 Planck, Quanto ne sai di… Atomi? (Agnese Sonato, Sarah Libanore) – attività dai 6 anni 17:30 – 17:50 CMS activity Book (Mia Tosi) – attività dai 6 anni 17:50 – 18:10 Uno sguardo all’Universo (Sarah Libanore) – attività dai 6 anni 18:10 – 18:25 Il progetto Radiolab (Sabine Hemmer) 18:25 – 18:45 A Caccia Di Nuova Fisica … con un acceleratore di particelle (Gaia Grosso, Enrico Luisiani) 18:45 – 19:00 CloudVeneto e il caso d’uso di CMS (Federica Fanzago, Massimo Sgaravatto, Marco Verlato) 19:00 – 19:30 Fasci di neutrini come non se ne erano mai visti – ENUBET (Andrea Longhin) 19:35 -19:45 L’incontro tra un umano ed un marziano… il problema della materia ed antimateria – Lettura tratta da “I sei pezzi meno facili di R. Feynman” (Paolo Rossi) 19:45 – 20:30 Futuri acceleratori di particelle (Patrizia Azzi) 20:45 -21:30 Riconosci le particelle in ICARUS e CMS (Christian Farnese, Roberto Rossin)
Si può cucinare con il plasma? Posso muovere le gocce come un PacMan? Chi, come e quando iniziò la lotta alle fake-news? Nel corso di questa diretta si alterneranno le spiegazioni delle ricercatrici e ricercatori dell’Università di Padova e dell’INFN che risponderanno a queste e tante altre curiosità del pubblico.
Programma dettagliato:
17:00 – 17:30 Modelli Semplici per Sistemi Complessi (Ilenia Apicella, Anna Tovo) 17:40 – 17:55 Si può cucinare con il plasma? (Alessandro Patelli) 18:00 – 18:20 La radiazione cosmica di fondo (Bianca De Caro) 18:30 – 18:50 Super-coerenza quantistica nella materia (Luca Salasnich) 19:00 – 19:20 Sulle orme di Democrito alla ricerca della materia oscura (Francesco D’Eramo) 19:30 – 19:50 Bolle quantistiche (Andrea Tononi) 20:00 – 20.10 Alpinismo di gocce (Matteo Pierno) 20:10 – 20:20 Trova l’intruso: lo scienziato dei materiali in mezzo ai fisici (Francesco Sgarbossa) 20:00 – 20:20 Controllo di gocce: come muovere un PacMan (Matteo Pierno) 20:30 – 20:45 Si può cucinare con il plasma? (Alessandro Patelli) 20:45 – 21:00 Super-coerenza quantistica nella materia (Luca Salasnich) 21:00 – 21:30 Chi, come e quando iniziò la lotta alle fake-news? (Sofia Talas) 21:40 – 22:00 Sulle orme di Democrito alla ricerca della materia oscura (Francesco D’Eramo)
Giovani ricercatrici e ricercatori dell’Università di Padova ci portano in viaggio nell’Universo dal tempo degli albori al sistema solare per finire con un “tuffo nel… vuoto”.
Programma dettagliato:
18-18.30: Munaretto: ”Esplorando Mercurio: da MESSENGER a BepiColombo” 18:30-19: Lacedelli: “Pianeti extrasolari: alla ricerca di nuovi mondi” 19-19.30: Salmaso: “Supernovae e astrofisica multimessaggero” 19.30-20: Sinigaglia: “Cartografia cosmica: come mappiamo il nostro Universo?” 20-20.30: Rastello: “Valzer di Buchi Neri a Tempo di Onde Gravitazionali” 20.30-21: Romano: “ALMA: un viaggio nel tempo agli albori dell’Universo” 21-21.30: Santoliquido: “Sulla cresta dell’onda… gravitazionale: le ultime nuove scoperte” 21.30-22: Estrada: “Un tuffo nel vuoto: breve tutorial per uccidere una galassia”
In aggiunta alle proposte serali, INFN Sezione di Padova e Dipartimento di fisica e Astronomia dell’Università di Padova propongono un percorso per gli studenti delle scuole secondarie di secondo grado, alla scoperta di uno dei più incredibili esperimenti mai costruiti sulla terra: l’osservatorio IceCube.
Tra i ghiacci dell’Antartide, esattamente sotto il Polo Sud geografico, si trova un km cubo di ghiaccio attrezzato per rilevare i neutrini astrofisici, interessantissimi e sfuggenti messaggeri provenienti dal cosmo.
Alcuni scienziati, detti Winterovers, provenienti da tutto il mondo si turnano nel corso dell’anno, che qui è scandito dalle stagioni polari, per recarsi alla stazione scientifica internazionale del Polo Sud, pronti ad affrontare le sfide di una vita ai confini del mondo!
Gli incontri saranno due, trasmessi in diretta solo per gli studenti che potranno così intervenire con le loro domande, ma la registrazione sarà poi pubblicata sui nostri canali YouTube:
Incontro del 20 novembre: i ricercatori padovani coinvolti in IceCube presenteranno l’esperimento agli studenti e ai docenti, con lo scopo di prepararli e stimolare la curiosità in vista della seconda parte del percorso.
Incontro del 27 novembre: il cuore dell’esperienza sarà infatti il collegamento streaming con i Winterovers che si trovano al Polo Sud, con cui gli studenti potranno dialogare, ponendo le loro domande. Nella speranza che condizioni atmosferiche e satellite siano dalla nostra e rendano possibile un collegamento non facile, ma anche questo fa parte dell’avventura…
L’esperimento LUNA fa luce sulla densità della materia che compone tutto ciò che conosciamo nell’Universo
C’è una reazione chiave di quel processo fondamentale, chiamato nucleosintesi primordiale, che ha portato alla produzione degli elementi chimici più leggeri nei primi momenti di vita del nostro Universo: è la reazione per mezzo della quale da un protone e un nucleo di deuterio si ottiene uno dei due isotopi stabili dell’elio, l’Elio-3.
Questa reazione è stata ora indagata con una precisione mai raggiunta prima dall’esperimento LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics) nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN: è stato così possibile raffinare i calcoli della nucleosintesi primordiale, ricavando un’accurata determinazione della densità della materia ordinaria, di cui è fatto tutto ciò che conosciamo, compresi gli esseri viventi.
I risultati della misura di LUNA, insieme a una discussione delle loro conseguenze cosmologiche, sono stati pubblicati sulla rivista Nature.
“In questo particolare studio – spiega Gianluca Imbriani responsabile della collaborazione LUNA – oltre alla nostra decennale esperienza nel campo dell’astrofisica nucleare sperimentale, ci siamo avvalsi della preziosa collaborazione del gruppo di fisica astroparticellare e cosmologia teorica dell’Università Federico II di Napoli per ottenere un’accurata determinazione della densità barionica grazie al codice Parthenope, che simula il processo di nucleosintesi primordiale. Mentre, per la descrizione dell’interazione nucleare abbiamo collaborato con il gruppo di fisica nucleare teorica dell’Università di Pisa”.
Durante la loro vita le stelle convertono gli elementi chimici leggeri in elementi più pesanti, tramite processi di fusione nucleare. Non tutti gli elementi chimici però sono prodotti nelle stelle: il protone e il neutrone che costituiscono i primi mattoni per la costruzione di tutti gli elementi chimici, si formano nei primissimi istanti del big bang. Dopo circa 3 minuti dal Big Bang, la temperatura scende a un miliardo di gradi e il deuterio può finalmente essere prodotto dalla fusione di protoni e neutroni senza essere distrutto dall’interazione con i fotoni di alta energia. Inizia così la sintesi degli elementi più leggeri, nota come nucleosintesi primordiale.
Nel silenzio cosmico dei Laboratori sotterranei del Gran Sasso, dove 1400 m di roccia proteggono le sale sperimentali dalle radiazioni esterne, l’esperimento LUNA è in grado di ricreare i processi che sono avvenuti durante la nucleosintesi primordiale e che tutt’ora avvengono nelle stelle, e di riportare con il suo acceleratore di particelle l’orologio indietro nel tempo fino a pochi minuti dopo la nascita dell’Universo. L’abbondanza di deuterio primordiale è determinata principalmente dalla reazione misurata durante la lunga campagna di misure effettuate a LUNA. La densità di materia barionica ottenuta attraverso il risultato di LUNA è in ottimo accordo con il valore ricavato dallo studio della radiazione cosmica di fondo, il residuo “fossile” del Big Bang.
“L’esperimento LUNA – aggiunge Imbriani – proseguirà la sua attività scientifica nel prossimo decennio con il progetto LUNA-MV, focalizzato sullo studio di processi chiave per la composizione chimica dell’Universo e la nucleosintesi degli elementi più pesanti”.
LUNA è una collaborazione scientifica internazionale composta da circa 50 ricercatori italiani, tedeschi, britannici ed ungheresi. In particolare, collaborano all’esperimento: i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, le sezioni INFN e le università di Bari, Genova, Milano Statale, Napoli Federico II, Padova, Roma Sapienza, Torino e l’Osservatorio di Teramo dell’INAF Istituto Nazionale di Astrofisica per l’Italia; l’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf per la Germania, la School of Physics and Astronomy dell’Università di Edimburgo per il Regno Unito e l’ATOMKI di Debrecen e il Konkoly Observatory di Budapest per l’Ungheria.
La collaborazione LUNA annovera una forte componente di ricercatori sia della Sezione INFN diPadova che del Dipartimento di Fisica e Astronomiadell’Università di Padova. La presenza di LUNA a Padova inizia nel 1993, con la venuta dal Gran Sasso di Carlo Broggini, che poi diventerà spokesperson della collaborazione. L’attività si è sin dall’inizio focalizzata sulla realizzazione ed acquisizione dati di set-up con rivelatori γ al germanio, come quello usato nella misura sopra descritta. La ricerca si è concentrata all’inizio sullo studio delle più importanti reazioni di combustione dell’idrogeno nelle stelle, in particolare nel Sole, per consentire il calcolo preciso del flusso e dello spettro dei neutrini solari. Terminata la fase “solare”, è iniziata la fase, tuttora in corso, focalizzata sui processi di combustione dell’idrogeno nei cicli che si innescano a temperature maggiori di quella del Sole, e che sono responsabili della produzione degli elementi sino all’alluminio. Il prossimo decennio sarà dedicato allo studio delle reazioni fondamentali della combustione dell’elio e del carbonio nelle stelle con il nuovo acceleratore da 3.5 MV del progetto LUNA-MV, che sarà installato il prossimo anno ai laboratori sotterranei del Gran Sasso. Sono infatti questi i processi che determinano l’abbondanza galattica di gran parte degli elementi che popolano la tavola periodica e l’evoluzione delle stelle più massicce sino all’esplosione delle Supernovae.
Il gruppo LUNA di Padova è ora costituito da Carlo Broggini, Antonio Caciolli, Rosanna Depalo, Paola Marigo, Roberto Menegazzo, Denise Piatti e Jakub Skowronski, con Antonio Caciolli responsabile locale INFN.
Un Congresso Nazionale telematico, la sfida della SIF per il 2020
A causa dell’emergenza sanitaria quest’anno il tradizionale congresso della Società Italiana di Fisica (SIF) ha assunto una nuova veste, quella telematica, con la sfida di organizzare un Congresso che mantenga il più possibile le sue caratteristiche scientifiche nel filo della tradizione, ma con elementi di novità possibili grazie agli strumenti informatici.
L’appuntamento è dal 14 al 18 settembre e la piattaforma dove sarà possibile seguire i vari interventi è già disponibile online: https://congresso2020.sif.it/
Questa nuova modalità non ha scoraggiato organizzatori e partecipanti che hanno risposto entusiasticamente alla nostra proposta, abbiamo infatti ricevuto un altissimo numero di contributi: 10 Relazioni Generali, oltre 220 Relazioni su Invito e quasi 600 Comunicazioni che si articoleranno nelle tradizionali 7 Sezioni, riguardanti le diverse tematiche di ricerca in fisica.
Le Relazioni Generali, guidate dai relativi Presidenti di Sezione, e le Relazioni su Invito, guidate dai Presidenti delle Sezioni Parallele, saranno tenute “live” con possibilità di intervenire con domande e commenti. Per le Comunicazioni, in gran parte date da giovani, sono invece disponibili le presentazioni registrate. Il programma è molto ricco e di particolare interesse essendo focalizzato sui più recenti progetti di ricerca, prevalentemente di carattere internazionale.
L’inaugurazione con la proclamazione dei premiati si terrà lunedì 14 settembre alle ore 9.30, interverranno i vincitori del Premio “Enrico Fermi 2020” Sandro De Silvestri, del Politecnico di Milano, per i suoi importanti e innovativi sviluppi sui LASER e in struttura della materia, Patrizia Tavella del Bureau International des Poids et Mesures, Sèvres e Giovanni Mana, dell’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica di Torino, per i loro originali contributi alla misura del tempo ed alla definizione della massa, e la vincitrice del Premio “Giuseppe Occhialini” 2020 Marica Branchesi, del Gran Sasso Science Institute dell’Aquila, per i suoi rilevanti contributi in astronomia e sulle onde gravitazionali.
Anche quest’anno non mancherà accanto alle sette canoniche sezioni, la Sezione Giovani, in programma durante la mattina di giovedì 17 settembre e organizzata in collaborazione con l’Associazione Italiana Studenti di Fisica (AISF). In quest’ambito sarà anche illustrata la strategia futura della fisica delle particelle.
Come tutti gli anni anche il Comitato Pari Opportunità (CPO) della SIF ha partecipato all’organizzazione con due interessanti iniziative: “Le Scienziate delle Sezioni” e la serie di interviste “Il tempo trasformato durante il COVID-19”.
Virgo e LIGO hanno osservato la fusione di due oggetti astrofisici straordinariamente massicci: due buchi neri di 66 e 85 masse solari, che hanno generato un buco nero finale di circa 142 masse solari. Il buco nero finale si trova in un intervallo di massa in cui nessun buco nero è mai stato osservato prima, né con le onde gravitazionali, né con radiazione elettromagnetica, e può quindi fornire informazioni utili a spiegare la formazione dei buchi neri supermassicci. Inoltre, il più massiccio tra i due buchi neri che abbiamo visto fondersi sfida la nostra comprensione dei meccanismi di formazione dei buchi neri: sulla base dei modelli attuali, un buco nero di 85 masse solari non può formarsi dal collasso di una stella massiccia.
Due articoli scientifici, che riportano la scoperta e le sue implicazioni astrofisiche, sono stati pubblicati oggi 2 settembre, rispettivamente su Physical Review Letters e Astrophysical Journal Letters.
Il segnale osservato è molto complesso e ha rivelato una grande quantità di informazioni sulle diverse fasi di questa fusione: le masse da record dei buchi neri coinvolti sono quindi solo una delle tante caratteristiche interessanti che rendono questa rivelazione di Virgo e LIGO una osservazione senza precedenti.
Un aspetto cruciale che ha attirato l’attenzione degli astrofisici è che il buco nero risultante appartiene alla classe dei cosiddetti “buchi neri di massa intermedia” (da centinaia a centinaia di migliaia di masse solari). L’interesse per questa popolazione di buchi neri è legato a uno dei puzzle più affascinanti e stimolanti per astrofisici e cosmologi: l’origine dei buchi neri supermassicci. Questi giganti, milioni di volte più pesanti del Sole, che spesso si trovano al centro delle galassie, potrebbero derivare dalla fusione di buchi neri più piccoli, di massa intermedia appunto. Il buco nero finale di GW190521 è non solo il primo buco nero di massa intermedia osservato tramite onde gravitazionali ma anche il primo mai osservato con massa compresa tra 100 e 1000 masse solari.
E anche i componenti e le dinamiche del sistema binario di fusione di GW190521 offrono spunti straordinari. Il più pesante dei due buchi neri che si sono fusi è più grande di qualsiasi buco nero di sistema binario finora osservato da Virgo e LIGO, e quello più leggero è comunque anch’esso tra i più massicci. In particolare, la massa del buco nero primario più massiccio sfida i modelli astrofisici che descrivono il collasso in buchi neri delle stelle più pesantialla fine della loro vita. Secondo questi modelli, le stelle più massicce sono completamente distrutte dall’esplosione della supernova, a causa di un processo chiamato ‘instabilità di coppia’, e lasciano dietro di sé solo gas e polvere cosmica. Pertanto, gli astrofisici non si aspetterebbero di osservare alcun buco nero nell’intervallo di massa tra circa 60 e 120 masse solari: esattamente l’intervallo in cui risiede il buco nero più massiccio del sistema binario di GW190521. Quindi questa rilevazione apre nuove prospettive sullo studio delle stelle massicce e dei meccanismi delle supernovae.
“Diversi scenari prevedono la formazione di buchi neri nel cosiddetto “gap” di massa dell’instabilità di coppia: potrebbero derivare dalla fusione di buchi neri più piccoli, o dalla collisione tra due stelle massicce, o persino da processi più esotici”, afferma Michela Mapelli della Collaborazione Virgo, professoressa all’Università degli Studi di Padova e ricercatrice della Sezione INFN di Padova. “Tuttavia, questo evento potrebbe persino spingerci a ripensare i modelli che attualmente descrivono le fasi finali della vita di una stella massiccia. In entrambi i casi, GW190521 darà un contributo essenziale allo studio della formazione dei buchi neri”.
In effetti, la rivelazione GW190521 di Virgo e LIGO sottolinea l’esistenza di popolazioni di buchi neri mai osservate prima o addirittura inattese e solleva così nuove interessanti domande sui loro meccanismi di formazione.
Inoltre, grazie sia all’alta precisione dell’osservazione sia all’analisi molto sofisticata del segnale, gli scienziati sono stati in grado di dedurre che almeno uno dei buchi neri iniziali ruotava molto rapidamente. La complessità del segnale mostra, infatti, un’indicazione di precessione cioè una rotazione del piano orbitale prodotta da rotazioni di grande ampiezza e particolare orientamento: lo spin dei buchi neri ha, quindi, causato persino una rotazione del piano dell’orbita. Questa osservazione rafforza l’ipotesi che i buchi neri primari si siano formati e vivessero in un ambiente cosmico molto instabile e affollato, come ammassi densi di stelle o dischi di accrescimento di nuclei galattici attivi.
Diversi scenari sono ancora compatibili con i risultati mostrati, e persino l’ipotesi che i buchi neri primari possano essere buchi neri primordiali non è stata scartata dagli scienziati. Rispetto alle precedenti rivelazioni di onde gravitazionali, il segnale osservato GW190521 è molto breve e più difficile da analizzare. A causa della sua natura complessa, sono state prese in considerazione anche altre sorgenti più esotiche. Tuttavia, queste altre possibilità sono sfavorite rispetto al fatto che si tratti effettivamente di una fusione di un sistema binario di buchi neri. Il potenziamento dei rilevatori permetterà di migliorare le loro prestazioni e guardare sempre di più nello spazio profondo.
Il ruolo della Collaborazione Virgo di Padova
“Cercare la chiave interpretativa di GW190521 è stata un’autentica sfida”, ci racconta Michela Mapelli, membro della collaborazione Virgo, professoressa del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova e associata ad INFN Padova. Michela ha sviscerato le implicazioni astrofisiche di questo evento per conto della collaborazione LIGO-Virgo. “Non avevamo mai osservato una binaria di buchi neri con queste proprietà e nemmeno ci aspettavamo di osservarla, visto che i modelli teorici ci dicono che buchi neri con massa ~85 volte la massa del nostro Sole non possono formarsi dal collasso di una stella. Questo risultato porterà sicuramente ad un cambio di paradigma nel campo dell’astrofisica dei buchi neri.”
Per individuare GW190521 e valutare la probabilità che si trattasse di un reale evento di origine astrofisica è stato usato l’algoritmo di ricerca coherent WaveBurst (cWB), lo stesso algoritmo che ha originariamente identificato la prima onda gravitazionale. Il gruppo di analisi dati di Padova-Virgo (Dr. Gabriele Vedovato dell’INFN di Padova e Dott.ssa Claudia Lazzaro del DFA e INFN di Padova) è da oltre 10 anni impegnato nello sviluppo di cWB ed ha fortemente contribuito all’analisi dell’evento GW190521.
Il gruppo Virgo di Padova è fortemente impegnato anche nella costruzione e mesa a punto del rivelatore Advanced Virgo situato presso l’European Gravitational Observatory (EGO) a Cascina, vicino Pisa. In particolare il Dr. Jean-Pierre Zendri dell’INFN di Padova coordina per la collaborazione Virgo la realizzazione del sistema di iniezione di luce “squeezed” volta a ridurre il rumore quantistico nel rivelatore, attività a cui partecipano anche il Dr. Marco Bazzan e il Prof. Giacomo Ciani del DFA e INFN di Padova, la Dr.ssa Livia Conti e il Dr. Matteo Pegoraro dell’INFN di Padova. La Dr.ssa Livia Conti è inoltre coordinatrice della divulgazione scientifica per tutta la collaborazione Virgo.
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