Visita al Tandetron

LA VISITA AL CEDAD
Gli acceleratori lineari di particelle svolgono un ruolo decisivo in vari ambiti d’applicazione,
come accade nel caso del Lecce Tandetron Laboratory (http://cedad.unisalento.it ) realizzato a
partire dal 2000 dal Gruppo di Fisica Applicata del Dipartimento di Ingegneria dell'Innovazione
dell'Università del Salento.
Così, scoprire le applicazioni nella tecnica relative al moto di particelle cariche nei campi è stato
l’obiettivo della visita al CEDAD (CEntro di DAtazione e Diagnostica), presso la Cittadella della
Ricerca di Brindisi, che le quinte classi dello Scientifico Tecnologico hanno raggiunto il primo
febbraio 2013, accompagnate dai professori Maria Teresa Martina, docente di Fisica, e Fernando
Sodero, docente di Filosofia.
Il CEDAD è un centro multidiscilinare per la ricerca, che svolge un ruolo di primo piano nella
datazione e nella diagnostica dei Beni Culturali. Tecniche innovative sono state messe a punto dallo
staff di ricerca, che raggruppa ricercatori con diverse competenze, dai fisici agli ingegneri, dai
chimici agli esperti in Beni Culturali.
Questioni inerenti alla storia, all’arte o all’archeologia sono tra le principali aree di ricerca nelle
quali si applica il metodo di datazione con il radiocarbonio mediante la tecnica della spettrometria
di massa con acceleratore.
Il centro di datazione di Lecce è tra i più importanti in Europa e vanta prestigiose collaborazioni
internazionali. Curiosando tra i numerosi lavori svolti, si scoprirà che i resti del Caravaggio sono
stati identificati grazie alla datazione effettuata al CEDAD, o che qui si è indagato sulle circostanze
della morte di due figure chiave dell’Umanesimo, Pico della Mirandola ed Angelo Poliziano, o che
gli esperti del Centro hanno scoperto che la Lupa Capitolina risale al medioevo.
Tra le datazioni relative a siti archeologici in Puglia, quella sui ritrovamenti della Grotta
Cappuccini a Galatone.
Fin dalla sua nascita, la direzione del CEDAD è affidata al prof. Lucio Calcagnile, laureato in Fisica
a Lecce. L’ingegnere Gianluca Quarta, che ha partecipato alla progettazione ed alla installazione di
tutte le linee sperimentali di analisi presso il CEDAD, ha accolto gli alunni e li ha guidati nella
visita, dividendoli in gruppi ed affidandoli ai ricercatori del Centro, che hanno provveduto ad una
attenta ed accurata presentazione delle fasi fondamentali del lavoro svolto.
Durante la visita è stato osservato un acceleratore lineare di tipo tandem da 3 MV, il Tandetron del
“Lecce Tandetron Laboratory”, usato nella linea di datazione con il metodo del radiocarbonio. Una
tensione di 2.5 MV viene usata per accelerare gli isotopi del carbonio allo scopo di determinare il
rapporto tra il numero di isotopi 14C (radioattivi) ed il numero di isotopi 12C (stabili), grazie al
metodo della spettrometria di massa ad alta risoluzione (AMS) che, al contrario del metodo di
datazione convenzionale, consente piccole dimensioni dei campioni e tempi di misura ridotti. In
prima approssimazione, nei viventi il rapporto 14C/12C è pari a quello che si ha nell’atmosfera.
Cessato lo scambio con l’atmosfera, il contenuto di 14C inizia a diminuire secondo una legge
esponenziale di decadimento radioattivo, mentre il 12C rimane stabile. Ne segue che dal valore del
rapporto 14C/12C si può risalire all’età di reperti costituiti di materiali contenenti carbonio prodotto
da organismi.
Con un processo di sputtering mediante ioni Cesio, il carbonio viene estratto dal campione da datare
sotto forma di ioni negativi, che attraversano un sofisticato sistema che comprende un analizzatore
elettrostatico ed un magnete analizzatore di bassa energia. Effettuata una prima separazione in
funzione della massa dei tre isotopi 12C, 13C e 14C, questi vengono immessi in modo sequenziale nel
tubo di accelerazione, dove il campo elettrico li accelera fino al terminale alla tensione positiva di
2.5 MV, che costituisce la zona centrale del sistema di accelerazione.
Il principio”tandem” consiste nel fatto che il terminale positivo accelera ulteriormente gli ioni del
carbonio, e li fa proseguire nel tubo di accelerazione, questa volta respingendoli, dopo che gli ioni
hanno subito uno stripping di carica e sono diventati positivi a causa dell’interazione con gas
Argon in un canale posto in corrispondenza del terminale.
E’ compito di un magnete analizzatore ad alta energia separare poi gli isotopi portandoli su
traiettorie differenti. Il 14C attraversa ancora un analizzatore elettrostatico ed un magnete a 90°
prima di giungere al rivelatore nucleare a ionizzazione di gas.
Il sistema permette di stimare il rapporto isotopico 14C/12C con un errore relativo minore dello
0,5%, giungendo a datare oggetti che risalgono fino a circa 55 000 anni fa.
Durante la visita sono state anche presentate le fasi fondamentali di preparazione fisico-chimica dei
campioni da datare, presso i laboratori del Clams (sul sito CEDAD, l’interessante pagina dei
processi di preparazione nei laboratori Clams).
Possono essere datati resti come carbone, ossa, pellame, capelli, papiri, carta, sedimenti organici e
così via, e materiali come gusci di conchiglie e gusci d’uovo.
Le applicazioni vanno dall’Archeologia all’Ambiente, dalla Geologia alla Medicina Legale.
Il Centro si occupa inoltre di misure del radiocarbonio per lo studio degli effetti antropogenici.
Ancora, dello sviluppo e applicazione di tecniche di analisi con fasci ionici per applicazioni alla
Scienza dei Materiali, e della modifica delle proprietà dei materiali mediante fasci di ioni e fasci
laser.
Oltre alle attività di ricerca, il CEDAD svolge un ruolo di servizio a privati.
Per approfondimenti si rimanda al sito del CEDAD.
Riflessioni generali sugli acceleratori di particelle
Gli acceleratori lineari (i LINAC, da LINear ACcelerator) hanno svolto inizialmente il compito
di creare un fascio idoneo ad essere iniettato in un acceleratore circolare ed oggi sono utilizzati
anche in medicina, nella terapia antitumorale.
Quello presentato durante la visita al CEDAD, è un acceleratore lineare che ci ha consentito di
osservare l’uso degli spettrometri di massa, in cui il raggio delle traiettorie di particelle cariche
nei campi magnetici varia in funzione della loro massa: è proprio questo principio che consente di
selezionare e misurare il numero degli isotopi di radiocarbonio.
L’azione dei campi magnetici sul moto di particelle cariche ci riporta al principio fisico di base
degli acceleratori circolari di particelle, descritto dal funzionamento del ciclotrone: il campo
elettrico fa acquistare velocità e quindi energia cinetica alle particelle cariche, mentre il campo
magnetico le mantiene su traiettorie circolari di raggio sempre maggiore all’aumentare della
velocità.
Tra le applicazioni nella fisica delle particelle, come discusso durante il seminario tenutosi nella
nostra scuola a dicembre, l’LHC del CERN di Ginevra costituisce uno degli esempi più rilevanti di
acceleratore circolare.
Tuttavia, il principio del ciclotrone non riguarda solo il campo della fisica teorica: ad esempio, nella
tecnica diagnostica chiamata PET (Positron Emission Tomography), trova applicazione non solo il
moto delle particelle cariche nei campi, ma anche uno dei concetti più affascinanti della fisica,
quello di antiparticella, che a prima vista sembra appartenere alla pura teoria.
Infatti, la PET impiega traccianti marcati con radioisotopi, prodotti da un ciclotrone, che emettono
positroni (il positrone è l’antiparticella dell’elettrone): la radiazione in un esame PET è prodotta
dall’annichilazione di materia e antimateria all’interno del corpo del paziente!
Tutto questo dovrebbe seriamente indurci a non cadere nella tentazione di liquidare gli argomenti
della fisica teorica come puro passatempo intellettuale, qualora anche questo non costituisse
un’attività del tutto rispettabile.
Prof.ssa Maria Teresa Martina