TUTTI I TESTI DELLA MOSTRA “La Natura si fa in 4"

TUTTI I TESTI DELLA MOSTRA “La Natura si fa in 4"
Leggenda: didascalie (nero), grafiche di approfondimento (rosa), schede di
approfondimento (verde), POSTER a corredo di ciascuna sezione (riassuntivi)
N.B.: Gli animatori dovrebbero conoscere bene il testo delle didascalie e
soprattutto delle schede di approfondimento e utilizzare le grafiche di
approfondimento mentre guidano il pubblico da un exhibit all’altro. I POSTER
possono esserre utilizzati per riassumere i concetti fondamentali e devono essere
utilizzati dagli animatori per parlare degli esperimenti dell’Infn.
LISTA CUBI /EXHIBIT e POSTER:
(D: didascalie, G: grafica di approfondimento, S: scheda di approfondimento)
SEZIONE 0: Introduzione (blu scuro)
Cubo ingresso (cartelline e scheda introduttiva S)
Poster 1
SEZIONE 1: Forza elettromagnetica (blu)
1.1 Cubo generatore di Van der Graaf: D, G
1.2 Cubo induzione elettromagnetica e tubo delle correnti: 2D, G, S
1.3 Cubo apparato trasmissione onde e.m. 1: D
1.4 Cubo apparato trasmissione onde e.m. 2: G, S
1.5 Cubo Acceleratore di particelle: G, D, S
1.6 Cubo Dafne
Poster 2
SEZIONE 2: Forza forte (rosso)
2.1 Cubo orbitale: G, D, S
2.2 Cubo Nucleo protoni-neutroni: D
2.3 Cubo Nucleo manipolabile: 2D, G
2.4 Cubo Videogioco: D, S
Poster 3
SEZIONE 3: Forza debole (giallo)
3.1 Cubo teca della radioattività: D, 2G, S
3.2 Cubo cartone animato: S, G
3.3 Exhibit dei neutrini
Poster 4
SEZIONE 4: Forza gravitazionale (verde)
4.1 Cubo tubo vuoto e paradosso meccanico: 2 D
4.2 Exhibit bilancia: D
4.3 Cubo telo spaziotempo: D, S
4.4 Cubo Virgo: D
Poster 5
SEZIONE 5: Finale (blu scuro)
Cubo finale: S
Poster 6
COLORI DELLE PARTICELLE:
- nucleo: rosso
- elettrone: blu
- protone: rosso
- quark up: bianco
- quark down: arancione
-
neutrone: verde
neutrino: giallo
fotone: azzurro luminoso
gluone: rosso
bosone: giallo
gravitone: verde
INTRODUZIONE (colore cubo blu scuro)
1. POSTER (INTRODUTTIVO):
DAVANTI
La Natura si fa in 4
- Mostra dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Come comunica la Natura?
I fisici hanno scoperto che la Natura “parla” usando quattro diversi linguaggi che si
manifestano come le quattro forze fondamentali: elettromagnetica, forte, debole e
gravitazionale. Anche il nostro corpo, così come accade per la Terra, il Sole e l’intero
Universo, è tenuto insieme e si trasforma proprio grazie a queste quattro forze.
Una “forza” può essere interpretata come un modo di comunicare delle particelle,
quando esse hanno proprietà particolari che chiamiamo cariche: tra particelle
“cariche” si stabilisce un’interazione che avviene con modalità diverse a seconda del
tipo di carica. Quando tra due particelle si esercita una forza, cioè quando
interagiscono, questo avviene attraverso uno scambio continuo di altre particelle,
chiamate mediatori della forza. Le particelle di “scambio” portano con sé un
messaggio che viene trasmesso da una particella carica all’altra, nel quale è scritto
come queste si debbano comportare.
Andiamo insieme alla scoperta di queste quattro forze, cercando per ciascuna la
particella mediatrice e il tipo di carica. Incontreremo così i vari protagonisti del
mondo dell’infinitamente piccolo (fotoni, gluoni, bosoni W e Z, quark…) che
determinano l’esistenza e la sorte del nostro Universo.
RETRO:
L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn)
La ricerca scientifica italiana ha uno dei suoi punti di eccellenza nell’Istituto
Nazionale di Fisica Nucleare (Infn). La struttura, che comprende circa 5.000
ricercatori, in parte dipendenti dello stesso istituto e in parte universitari associati, si
occupa di ricerca di base nell’ambito della fisica nucleare, delle particelle elementari e
delle astroparticelle, oltre che delle applicazioni tecnologiche che derivano da questa
attività.
L’Infn partecipa direttamente, e da protagonista, anche a tutti i più importanti progetti
internazionali di ricerca in fisica e ha accordi di collaborazione con istituti di ricerca
di tutti i continenti. In molti casi, i ricercatori dell’Infn sono chiamati a ricoprire
incarichi di dirigenza in imprese scientifiche e organizzazioni internazionali di
prestigio.
In Italia l’Infn è organizzato in 20 sezioni e 4 grandi laboratori internazionali. Le 20
sezioni sono dislocate in 16 regioni, hanno la loro sede in dipartimenti universitari e
realizzano il collegamento diretto tra l'Istituto e le Università. I quattro Laboratori,
con sede a Catania, Frascati (Roma), Legnaro (Padova) e Gran Sasso, ospitano grandi
apparecchiature e infrastrutture di ricerca concepite e costruite nell’ambito dell’Infn e
messe a disposizione della comunità scientifica nazionale e internazionale.
Immagine dell’Italia con le sezioni Infn ecc.
Cubo ingresso: cartelline e scheda introduttiva S
SCHEDA DI APPROFONDIMENTO INTRODUTTIVA: (nella cartellina o cubo
ingresso)
Introduzione
Se ci chiediamo cosa sia una forza, pensiamo subito a qualcuno nell’atto di spingerci
o allo sforzo che facciamo ogni volta che cerchiamo di aprire il barattolo dei sottaceti.
In ogni caso, associamo la forza al contatto con qualcosa, e all’azione. Le sue
manifestazioni più immediate sono legate proprio allo sforzo fisico, per camminare, o
per correre, ad esempio. Generalmente, però, ignoriamo che le forze in gioco quando
corriamo, come l’attrito tra noi e il terreno e la forza chimica che mette in azione i
muscoli, sono in realtà espressioni di una sola forza fondamentale. La stessa che
origina le onde captate o inviate dal nostro cellulare… è la forza elettromagnetica. E
forse non siamo abituati a pensare che ciò che rende così difficoltoso sollevare una
pesante valigia è in realtà una forza molto comune, la stessa che tiene la Terra in
orbita intorno al Sole: è la forza di gravità, che detta legge sul moto di tutti i corpi
celesti. Proprio il Sole, inoltre, è sede di fenomeni legati a una terza forza poco
familiare, la forza forte: quella che tiene unito il nucleo degli atomi e può rendere
disponibili quantità enormi di energia. Per questo ha reso possibile la realizzazione
delle centrali nucleari, ma anche della bomba atomica. Vi è poi una quarta forza, a
livello del nucleo atomico, che causa una particolare forma di radioattività ed è
coinvolta inoltre nei processi di fusione termonucleare nelle stelle: è la forza debole.
Le forze chimica, di attrito, muscolare, di coesione, la forza peso … sono quindi solo
diverse manifestazioni di queste forze fondamentali. In realtà, noi abbiamo a che fare
soprattutto con fenomeni elettromagnetici e gravitazionali e non abbiamo esperienza
diretta delle forze nucleari, se non nel constatare che i nuclei che compongono noi e
quanto ci circonda stanno insieme… Eppure, insieme alle forze elettromagnetica e
gravitazionale, la forza forte e la forza debole danno conto di tutti gli scambi di
energia tra le particelle che compongono la materia e sono quindi responsabili della
struttura complessiva dell’intero Universo.
Se pensiamo alla forza di gravità tra il Sole e la Terra, inoltre, ci rendiamo conto che
una forza può agire senza che vi sia un contatto “fisico” fra i corpi che le
sperimentano. Anche per questo le forze, in fisica, sono preferibilmente chiamate
interazioni. Ma da cosa sono causate e come sono trasmesse? Esistono peculiari
caratteristiche della materia che agiscono da sorgenti dell’interazione, sono le
cosiddette cariche. Altre particelle, poi, fanno da ponte nell’interazione e hanno il
“diplomatico” compito di mediare: sono i bosoni mediatori.
Approfondimento 1: Ciak … Azione! (BOX)
Ogni interazione, per manifestarsi, richiede la presenza di almeno due corpi. Così è,
ad esempio, nell’interazione gravitazionale che tiene in orbita i pianeti attorno al Sole
o i satelliti intorno alla Terra. Tuttavia, la sola presenza del Sole crea nello spazio un
campo di forza (in questo caso gravitazionale) che si manifesta come interazione
quando nello spazio ci sono altri corpi. In generale, però, può esistere una distanza
massima oltre la quale gli effetti del campo diventano nulli. È il raggio d’azione. Nel
caso dell’interazione gravitazionale, essendo il raggio d’azione infinito, gli effetti del
campo non si annullano mai. Questo significa che la forza agisce anche
allontanandosi all’infinito dalla sorgente del campo, ma la sua intensità diventa
sempre più bassa. Lo stesso vale per l’interazione elettromagnetica, ma non per le
interazioni forte e debole che agiscono solo a distanze piccolissime, più piccole di un
nucleo atomico.
FORZA ELETTROMAGNETICA (colore cubi: blu)
1.1. Cubo generatore di Van der Graaf: D, G
fotone
1. DIDA: La macchina “rizzacapelli” (cubo 1.1)
Questo exhibit vi farà letteralmente “rizzare” i capelli: chiamate l’animatore per
utilizzarlo.
Il generatore di Van der Graaf è una macchina in grado di generare e accumulare
cariche elettriche. Quando su un oggetto si addensano molte particelle con la stessa
carica elettrica, esse tendono a “concentrarsi” sulle sue estremità. Sulla punta dei tuoi
capelli, quindi, si sono accumulate tante particelle con carica elettrica dello stesso
segno che, respingendosi, li hanno fatti “rizzare”: sono gli elettroni e hanno carica
elettrica negativa.
Tu e i tuoi capelli avete appena sperimentato uno degli effetti della forza
elettromagnetica e, più precisamente, un aspetto elettrico di questa forza!
Ora prova ad avvicinare la sfera più piccola al generatore di Van der Graaf.
L’effetto che osservi è simile a ciò che accade quando nell’atmosfera si formano i
fulmini: le cariche del generatore si scaricano rapidamente sulla sfera più piccola,
proprio come le cariche accumulate sulle nubi tendono a portarsi a terra.
1. GRAFICA DI APPROFONDIMENTO: (cubo 1.1)
1.2. Cubo induzione elettromagnetica e tubo delle correnti: 2D, G, S
2. DIDA Il magnete-pila: (cubo 1.2)
Fai scorrere la calamita all’interno della bobina di filo conduttore.
Muovendo la calamita all’interno della bobina di rame, si accendono e si spengono le
due lampadine, perché? In qualche modo hai generato una corrente elettrica lungo il
filo. Questo fenomeno, che è chiamato induzione elettromagnetica, mostra che
elettricità e magnetismo sono in realtà due facce della stessa medaglia. Non a caso,
quindi, si parla di forza elettromagnetica.
La calamita crea un campo magnetico nello spazio circostante, che varia quando la
muoviamo. La legge dell’induzione elettromagnetica afferma che in un circuito
elettrico (la bobina), se posto in un campo magnetico variabile, si genera una corrente
elettrica.
È lo stesso fenomeno su cui si basa l’accensione della lampadina di una bicicletta: è il
meccanismo della dinamo.
2. GRAFICA DI APPROFONDIMENTO: (cubo 1.2)
3. DIDA Il tubo delle correnti: (cubo 1.2)
Fai cadere la pallina di metallo all’interno del tubo. Poi unisci alla pallina la
piccola calamita e lasciale cadere insieme nel tubo.
Le calamite, se messe in movimento, possono generare delle correnti elettriche nei
materiali conduttori: è l’effetto dell’induzione elettromagnetica. Viceversa, le
cariche elettriche in movimento, come la corrente nei fili elettrici, possono
comportarsi come le calamite e generare nello spazio circostante un campo
magnetico. È il duplice aspetto della forza elettromagnetica che lega i fenomeni
magnetici a quelli elettrici in un’indissolubile unità di cause ed effetti.
Al passaggio della calamita, quindi, per effetto dell’induzione elettromagnetica, nel
tubo di rame (un materiale conduttore) si genera una corrente elettrica. Questa
corrente crea a sua volta un campo magnetico che influisce sulla calamita in verso
contrario a quello della forza peso, rallentandone così la caduta.
1. SCHEDA DI APPROFONDIMENTO : (cubo 1.2)
Cariche elettriche e calamite
C’è una forza all’origine di televisione, telefono e computer, e non una qualsiasi: è
una delle quattro interazioni fondamentali che descrivono e regolano la Natura.
Questa forza, a dire il vero, esiste da sempre, da una frazione infinitesima di tempo
dopo la nascita dell’Universo: è la forza elettromagnetica. Deve la sua esistenza alla
carica elettrica, una proprietà che appartiene a molte delle particelle che
compongono la materia e che può manifestarsi anche solo strofinando due oggetti tra
loro. Possiamo accorgercene, ad esempio, in una giornata secca e ventosa, quando
l’aria stessa “si elettrizza” a causa dello sfregamento causato dal vento. In queste
condizioni è facile prendere la scossa toccando un’altra persona, o un oggetto
metallico come lo sportello di un’automobile. La forza elettromagnetica si manifesta
quindi nell’interazione tra particelle cariche, negative come gli elettroni, o positive
come i protoni, che si respingono o si attraggono se sono di segno rispettivamente
uguale o diverso. Due cariche elettriche poi sentono sempre la presenza l’una
dell’altra: il raggio d’azione della forza è quindi infinito, anche se a grande distanza il
suo effetto è piccolissimo.
La forza elettromagnetica, però, non ha a che fare solo con le cariche elettriche e si
manifesta, oltre che come fenomeno “elettrico”, anche sotto forma di magnetismo. La
magnetite, ad esempio, il minerale ferroso delle calamite naturali, ha il potere di
attrarre o respingere altri oggetti di magnetite o alcuni metalli come il ferro. Le
sorgenti della forza, in questo caso, non sono singole cariche elettriche, ma una coppia
di poli magnetici, nord e sud, che si respingono, se uguali, e si attraggono se
contrari. Diversamente dalle cariche elettriche, però, i poli magnetici non possono mai
essere isolati: spezzando un magnete si otterranno altri due magneti, ciascuno con un
polo nord e un polo sud. È un po’ come spezzare una matita: si ottengono due matite
più piccole, ma sempre due matite che possiamo utilizzare da entrambe le parti.
Cariche di segno opposto si attraggono: è il caso di un elettrone (in blu), con carica
negativa, e un protone (in rosso), con carica positiva. Cariche dello stesso segno,
come due protoni, si respingono.
Una calamita genera nello spazio circostante un campo magnetico che può influire su
altre calamite o su oggetti metallici contenenti ferro o nichel.
Il campo magnetico può essere visualizzato utilizzando della limatura di ferro. I
sottilissimi aghi di ferro si orientano lungo le linee del campo di cui la calamita è
sorgente, dal polo nord al polo sud.
Approfondimento 1: Forze in … campo! (BOX)
Ogni interazione tra particelle è dovuta all’azione di un campo di forze la cui origine
è una particolare caratteristica delle particelle, la carica, diversa per ognuna delle
quattro interazioni fondamentali. Le interazioni, però, non si esercitano
“istantaneamente”: esse sono descritte come uno scambio di altre particelle chiamate
bosoni mediatori. Ognuna delle 4 forze fondamentali ha una particella mediatrice che
consente la trasmissione dell’interazione e la sua azione a distanza, trasportando le
informazioni sul campo corrispondente (per questo parliamo anche di “quanti” del
campo di forze). La forza elettromagnetica, in particolare, è trasportata dai fotoni che
sono quindi i mediatori, o quanti, del campo elettromagnetico. Anche fenomeni più
complessi come quelli che coinvolgono magneti, o antenne, sono caratterizzati dallo
scambio di un flusso di fotoni.
1.3. Cubo apparato trasmissione onde e.m. 1: D
1.4. Cubo apparato trasmissione onde e.m. 2: G, S
e
4. DIDA Comandi a distanza: (cubo 1.3)
Premi il pulsante.
Come hai potuto azionare il campanello a distanza? Premendo il pulsante hai generato
un’onda elettromagnetica (analoga a quelle utilizzate per le comunicazioni radio, tv
o per i telefoni cellulari), che viene captata da un’antenna e trasformata in un impulso
elettrico in grado di azionare il campanello. L’onda si genera e si propaga come
conseguenza di una perturbazione, come le onde generate da un sasso lanciato in uno
stagno.
In generale, la forza elettromagnetica è una forza che agisce a distanza e non c’è
bisogno di un contatto “fisico” fra i corpi che la sperimentano. In fisica le forze sono
anche chiamate interazioni, ma come sono trasmesse? Esistono particelle che hanno
proprio questo compito di “scambio”: sono i mediatori della forza. Nel caso della
forza elettromagnetica, le particelle mediatrici sono i fotoni.
3. GRAFICA DI APPROFONDIMENTO: (cubo 1.4)
2. SCHEDA DI APPROFONDIMENTO: (cubo 1.4)
Correnti elettriche e onde
Se a portata di mano non ci sono né cariche elettriche, né calamite, la forza
elettromagnetica per manifestarsi dovrà affidarsi a qualcosa di diverso che, tuttavia,
con le cariche e i magneti ha molto in comune: è la corrente elettrica. In fondo, si
tratta sempre di cariche elettriche: una corrente, infatti, è formata da un flusso
continuo e ordinato di cariche all’interno di un materiale, come un flusso d’acqua in
una conduttura. Se la corrente è sufficientemente intensa, e cioè un numero
abbastanza alto di cariche attraversa contemporaneamente una sezione del conduttore,
ci accorgiamo che essa si comporta proprio come una calamita, con un polo nord e un
polo sud, e può attrarre o respingere altri magneti. Un filo elettrico percorso da
corrente è quindi un elettromagnete.
Ma che cosa lega i fenomeni elettrici ai fenomeni magnetici, al punto di trasformare le
cariche elettriche in movimento ordinato in vere e proprie calamite? Per tornare alla
tecnologia che oggi ci facilita la vita, questo legame è stato davvero una scoperta
grandiosa e può rivelarsi molto utile. Se ad esempio facciamo muovere una calamita
nelle vicinanze di un filo elettrico, inizialmente non attraversato da alcuna corrente,
parte degli elettroni che risiedono nel filo subiscono gli effetti di una forza e si
mettono in moto: nel filo, cioè, inizia a circolare una corrente elettrica. È la legge
dell’induzione elettromagnetica, che permette di generare correnti elettriche facendo
semplicemente ruotare una calamita, proprio come accade (pedalando!) nella dinamo
delle biciclette.
Quindi, se una corrente elettrica può manifestare proprietà magnetiche e una calamita
in movimento può generare una corrente elettrica significa che il campo elettrico e il
campo magnetico possono generarsi reciprocamente e devono essere strettamente
concatenati l’uno all’altro. Essi sono infatti componenti di un’unica entità, il campo
elettromagnetico. Proprio grazie a questa concatenazione, il campo elettromagnetico
può propagarsi a distanza alla velocità della luce trasportando lontano l’energia di cui
è depositario. La propagazione avviene sotto forma di onde che contengono il
messaggio di una variazione del campo, sono le onde elettromagnetiche. Alcuni
esempi sono le onde radio, oppure quelle di un forno a microonde, o anche la luce
emessa dal Sole o dalle lampade nelle nostre case.
elettrico
Approfondimento 1: Più a fondo nella materia… (BOX)
Ma cosa hanno in comune calamite e correnti elettriche? Perché in entrambi i casi si
genera un campo magnetico? Anche nel caso delle calamite, in realtà, il campo
magnetico ha origine da “correnti microscopiche” che nascono dalla struttura atomica
della materia. Secondo il modello atomico più classico un elettrone si muove su
un’orbita intorno al nucleo: trattandosi di una particella carica, l’orbita costituisce un
piccolo circuito di corrente che genera dunque un campo magnetico. In generale, i
campi magnetici dovuti ai vari elettroni si sommano e danno complessivamente un
campo nullo, in quanto sono orientati in maniera casuale. Tuttavia, nel ferro e in
alcuni altri materiali (detti ferromagnetici) agisce un meccanismo “di cooperazione”,
come risultato del quale gli elettroni tendono ad allineare i propri campi magnetici
all’interno di piccole regioni chiamate domini. Ogni dominio si comporta cioè come
un magnete, con un polo nord e un polo sud. In un pezzo di ferro non magnetizzato i
domini hanno un’orientazione casuale, e il pezzo di ferro nel suo complesso non è
magnetizzato. Se invece esso è posto in un campo magnetico, i domini si orientano
lungo una direzione preferenziale, e si ottiene così un magnete permanente, che può
mantenere la magnetizzazione per un periodo di tempo idealmente infinito (in realtà
per un tempo finito, ma molto lungo).
1.5. Cubo Acceleratore di particelle: G, D, S
5. DIDA L’acceleratore: (cubo 1.5)
Gira lentamente la manopola.
Hai appena visto come funziona un acceleratore di particelle di tipo lineare, uno
strumento che i fisici usano per accelerare particelle e farle scontrare contro un
bersaglio fisso, rompendolo. Lo scopo è di comprenderne la composizione,
analizzando i suoi frammenti e il suo comportamento.
Ruotando la manopola, hai lanciato una pallina: essa simula una delle particelle che i
fisici accelerano negli strumenti reali. La particella attraversa il tubo, dove puoi
vedere delle bobine. Esse rappresentano le cavità risonanti di un acceleratore vero,
all’interno delle quali un’onda elettromagnetica spinge le particelle in avanti, proprio
come l’onda del mare spinge un surfista, fino a farla scontrare con il bersaglio.
4. GRAFICA DI APPROFONDIMENTO: (cubo 1.5)
3. SCHEDA DI APPROFONDIMENTO: (cubo 1.5)
Gli acceleratori
Per sondare in profondità il comportamento della materia e dei suoi più piccoli
costituenti, i fisici hanno progettato macchine di grandissima complessità ed enorme
precisione: sono gli acceleratori di particelle. In essi le particelle sono lanciate a
enorme velocità contro altre particelle o contro dei bersagli fissi, per osservare la
materia alle dimensioni dell’atomo, del nucleo atomico e delle sue parti, come
“sonde” incaricate di indagare le leggi fondamentali della Natura.
Il nome “acceleratori” deriva dal fatto che quanto più profondamente vogliamo
indagare nel mondo microscopico, tanto più è alta l’energia necessaria: per questo per
studiare i costituenti fondamentali della materia bisogna che le particelle siano
accelerate a grande velocità, prima di scontrarsi o di colpire un bersaglio. Per la teoria
della relatività di Einstein, secondo la quale massa ed energia possono trasformarsi
l’una nell’altra, l’enorme energia si trasforma nello scontro in nuove particelle che
vivono, spesso, per brevissimi intervalli di tempo. Serve inoltre molta energia per
produrre molta massa: quanto più sono “pesanti” le particelle che vogliamo creare
tanto più alta deve essere l’energia prodotta nella collisione e quindi la velocità a cui
acceleriamo le particelle.
Ma dove si concentra tutta l’energia prodotta nella collisione? L’energia è generata
nel volume in cui avviene lo scontro: uno spazio che può essere piccolo anche quanto
un protone. Ed è proprio in questo piccolissimo spazio che le nuove particelle hanno
origine! Per vedere particelle tanto piccole ed evanescenti i fisici usano i rivelatori di
particelle, strumenti in grado di “vedere” le particelle prodotte nello scontro per
registrarne le caratteristiche. Di ogni particella, i rivelatori possono riconoscere la
carica, la massa, la velocità, la direzione del moto e altre proprietà che permettono
complessivamente di identificarla e di darle un nome: è questo il lavoro che devono
fare i fisici quando analizzano i numerosissimi dati che il rivelatore registra!
Quasi tutti hanno un acceleratore di particelle in casa: il più semplice e comune di
questi dispositivi è infatti il televisore. All’interno del tubo catodico c’è un filamento
che, se riscaldato, emette elettroni. Il piccolo fascio di elettroni viene poi accelerato da
un campo elettrico e inviato su uno schermo fluorescente: qui gli elettroni eccitano la
fluorescenza dello schermo e “disegnano” l’immagine, in base alle informazioni
ricevute dall’antenna.
Approfondimento 1: Magneti per sterzare …
Esistono acceleratori di particelle circolari, o lineari. Nei primi, le particelle si
muovono lungo traiettorie circolari e, generalmente, sono fatte scontrare frontalmente
fra di loro. Nei secondi invece, le particelle sono accelerate lungo un percorso
rettilineo e, nella gran parte dei casi, sono inviate contro un bersaglio fisso. I metodi
per accelerare particelle sono basati sull'uso di campi elettrici e campi magnetici: i
primi forniscono energia alle particelle accelerandole, mentre i secondi servono a
curvarne la traiettoria (come negli acceleratori circolari), o a “focalizzarle” per evitare
che si disperdano. Ma come agiscono i campi elettrici e magnetici sulle particelle
cariche da accelerare? Le particelle cariche sono accelerate a grandi velocità,
facendole passare più volte all’interno di regioni dove risiedono intensi campi
elettrici: sono le cosiddette cavità risonanti. Inoltre, quando una carica elettrica si
muove in prossimità di un campo magnetico essa risente di una forza di tipo
elettromagnetico (chiamata forza di Lorentz) che ne incurva la traiettoria. I magneti
curvanti hanno proprio questo compito: creare intensi campi magnetici per
“mantenere” le particelle cariche lungo traiettorie circolari.
2. POSTER
DAVANTI
La forza elettromagnetica
Tra le quattro forze fondamentali della Natura, la forza elettromagnetica è quella che
governa molti dei comfort della vita moderna: luce, tv, telefono, computer …
Nell’infinitamente piccolo è la forza che tiene insieme gli atomi e che governa la
maggior parte dei processi chimici e biologici.
La forza elettromagnetica agisce tra cariche elettriche in modo tale che cariche
elettriche dello stesso segno si respingono e cariche di segno opposto si attraggono.
Sono molte le particelle dotate di carica elettrica. Tra queste l’elettrone, che ha carica
negativa (-), e il protone, che ha carica positiva (+).
Nel mondo microscopico, quando due particelle cariche elettricamente interagiscono,
esse si scambiano continuamente dei fotoni. Noti per essere anche i costituenti
fondamentali della luce, i fotoni sono dunque i mediatori della forza elettromagnetica.
Se le due particelle hanno carica elettrica diversa, il messaggio che i fotoni portano
con sé è un invito ad avvicinarsi; invece, se hanno carica uguale è come se il fotone
dicesse loro di respingersi.
Un protone (rosso) e un elettrone (blu), quando interagiscono a causa della forza
elettromagnetica, si scambiano un flusso di fotoni.
RETRO
Gli acceleratori di particelle
Per capire quali sono e come funzionano le leggi fondamentali della Natura, le “regole
del gioco” di tutto ciò che esiste nell’Universo, servono macchine ingegnose, di
grandissima potenza ed enorme precisione. A questo scopo, i fisici hanno progettato e
realizzato gli acceleratori di particelle. Il loro nome deriva dal fatto che per capire le
leggi fondamentali occorre “addomesticare” le particelle che costituiscono la materia
e accelerarle a energie sempre maggiori. Accelerate a velocità prossime a quella della
luce, queste particelle sono poi fatte scontrare tra loro o contro appositi bersagli: la
loro massa e l’energia guadagnata nell’accelerazione vengono così trasformate in
nuove particelle, che spesso vivono per istanti brevissimi. I fisici cercano tra queste
brevi apparizioni gli indizi utili a spiegare le “regole del gioco” e ad allargare il nostro
orizzonte verso nuovi affascinati interrogativi.
Gli acceleratori sono di due tipi: circolari o lineari Nei primi, le particelle si
muovono lungo traiettorie circolari e, generalmente, sono fatte scontrare frontalmente
fra di loro. Nei secondi invece, le particelle sono accelerate lungo un percorso
rettilineo e nella maggioranza dei casi, sono inviate contro gli atomi di un bersaglio
fisso.
Ai Laboratori Nazionali di Frascati dell’Infn queste macchine hanno fatto la storia.
Negli anni ’60 vi è stato inventato AdA, un acceleratore all’epoca innovativo a livello
mondiale: il primo apparato realizzato per far collidere in volo elettroni e antielettroni
accelerati simultaneamente. Oggi il discendente di AdA a Frascati è Dafne, che studia
il mondo affascinante dei quark “strani”, anche per capire il rapporto tra materia e
antimateria nell’Universo.
Foto di Dafne.
DIDA: L’esperimento Dafne presso i Laboratori Nazionali di Frascati
FORZA FORTE (colore cubi: rosso)
2.1 Cubo orbitale: G, D, S
6. DIDA Il salto degli elettroni: (cubo 2.1)
gluone
Ecco un modello dell’atomo: la pallina rossa al centro rappresenta il nucleo (di
carica +) e intorno a esso ruotano gli elettroni (di carica -), all’interno di “gusci”
che chiamiamo orbitali. Gli atomi (e le molecole) di cui siamo fatti sono tenuti
insieme dalla forza elettromagnetica! Prova ora ad “eccitare”un elettrone
premendo il bottone e guarda cosa succede.
Spingendo il bottone stai fornendo energia agli elettroni. Ovviamente qui si tratta di
una simulazione di quello che in Natura avviene più o meno spontaneamente in molti
fenomeni quotidiani.
Gli elettroni “eccitati” saltano su un orbitale di energia maggiore e dopo poco tempo
rilasciano l’energia in eccesso ricadendo sull’orbitale di partenza. L’energia ceduta è
emessa sotto forma di luce (un fotone): è il “lampo” che si osserva quando l’elettrone
torna sull’orbitale iniziale.
5. GRAFICA DI APPROFONDIMENTO: (cubo 2.1)
4. SCHEDA DI APPROFONDIMENTO : (cubo 2.1)
Gli atomi
La materia di cui facciamo esperienza, inclusi noi stessi, è formata da mattoni che
possono essere “montati” come pezzi prefabbricati per le costruzioni: sono gli atomi e
ne esistono in Natura un numero finito di tipi diversi. L’atomo rappresenta la più
piccola unità di un elemento chimico, rompendo la quale l’elemento non è più se
stesso, perde la sua identità. L’ossigeno, ad esempio, è formato da molecole costituite
dal legame tra due atomi di ossigeno. Se rompiamo la molecola separando i due
atomi, possiamo ancora parlare di ossigeno, ma se dividiamo anche l’atomo,
otteniamo pezzi di qualcosa che non ha più le caratteristiche chimiche dell’ossigeno:
respirarlo, ad esempio, non ci salverebbe dal soffocamento!
A fare la differenza tra un atomo e un altro ci sono particelle più piccole, quelle che lo
compongono e lo caratterizzano, e le interazioni che si esercitano tra esse. L’atomo,
infatti, non è l’elemento fondamentale della materia e può essere diviso a sua volta in
sottoelementi, alcuni forse indivisibili, altri composti da particelle ancora più piccole.
Tutto ciò, in un volume di un decimo di miliardesimo di metro di raggio, per lo più
occupato dal vuoto. L’intera massa dell’atomo è concentrata soprattutto al centro
dell’intero volume: qui si trova il nucleo, da diecimila a centomila volte più piccolo
dell’atomo stesso. Intorno al nucleo, orbitano gli elettroni, particelle fondamentali,
indivisibili, di carica elettrica negativa. Con le dovute proporzioni, considerando le
dimensioni del nucleo, gli elettroni sono davvero lontani: se il nucleo fosse grande
come una pallina da ping-pong, infatti, essi dovrebbero trovarsi a 1 km di distanza …
e nel mezzo solo spazio vuoto… !
Il nucleo e gli elettroni hanno carica elettrica di segno opposto e gli elettroni sono in
numero tale da compensare esattamente la carica del nucleo. Ciò fa dell’atomo un
oggetto complessivamente neutro, tuttavia è proprio l’interazione elettromagnetica
dovuta a queste cariche, che lega gli elettroni negativi al nucleo positivo, attirandoli
l’uno all’altro e tenendo l’elettrone in orbita come la Luna attorno alla Terra.
Rappresentazione dell’atomo immaginato dal fisico danese Niels Bohr nel 1913: un
nucleo intorno al quale orbitano degli elettroni, su orbite ben definite.
Approfondimento 1: Nuvole intorno al nucleo …
Dove possiamo trovare esattamente gli elettroni che orbitano intorno al nucleo? In
realtà non è possibile stabilirlo: la posizione degli elettroni nell’atomo è descritta da
una famosa equazione, l’equazione di Schrödinger (ma esistono anche equazioni più
precise), che descrive le regioni attorno al nucleo dove essi si trovano con maggiore
probabilità: sono gli orbitali, o anche nuvole di probabilità. Oggi sappiamo che non è
possibile stabilire il punto esatto in cui si trova l’elettrone in un dato momento, ma
solo dire con quale probabilità esso può essere in una certa regione dello spazio.
Quando scendiamo oltre le dimensioni dell’atomo infatti, molte delle semplici regole
della vita quotidiana perdono validità: i contorni della realtà diventano meno definiti e
la Natura può essere descritta solo con la meccanica quantistica. Secondo
quest’ultima, ad esempio, è impossibile misurare contemporaneamente l’esatta
posizione e la velocità di una particella. Quindi non possiamo conoscere con esattezza
la traiettoria di un elettrone che orbita intorno al nucleo, ma solo dire dove è più
probabile che si trovi: è il principio di indeterminazione di Heisenberg.
Rappresentazione degli orbitali, le zone attorno al nucleo nelle quali è maggiore la
probabilità di trovare un elettrone.
Approfondimento 2: Atomi, elettroni e ioni...
Se escludiamo l’idrogeno, che ha un solo elettrone e un solo protone, gli elettroni di
un atomo sono sempre più di uno: come si “spartiscono” lo spazio intorno al nucleo?
La distanza di un elettrone dal nucleo dipende dalla sua energia e gli elettroni più
“energetici” orbitano più lontano dal nucleo. Se l'elettrone, poi, ha davvero molta
energia, può anche slegarsi dal nucleo e viaggiare libero nello spazio. È quello che
accade, ad esempio, quando si scalda il filamento metallico del tubo catodico del
televisore: acquistando energia termica, gli elettroni possono slegarsi dagli atomi del
filamento, per andare a colpire lo schermo fluorescente del televisore dopo essere stati
accelerati da un opportuno campo elettrico. Gli atomi del filamento subiscono così
una trasformazione in seguito alla quale non possiamo più parlare di atomo. Con un
elettrone in meno, la carica dei protoni del nucleo non è più compensata esattamente e
l’atomo non è più neutro: è diventato uno ione positivo (aggiungendo elettroni a un
atomo è anche possibile produrre ioni negativi).
2.2 Cubo Nucleo protoni-neutroni: D
7. DIDA Colla per nuclei: (cubo 2.2)
Il nucleo degli atomi è composto da due tipi di particelle: protoni e neutroni.
Quale forza li tiene insieme? Prova ad avvicinare due protoni (le sfere rosse).
Cosa succede invece avvicinando un neutrone (la sfera verde) a un protone?
Quando sono lontani i protoni si respingono, perché sono entrambi carichi
positivamente e cariche dello stesso segno si respingono. Avvicinando di molto i due
protoni, la forza elettromagnetica, che è la causa della repulsione, è vinta dalla
cosiddetta forza forte. Questa agisce solo a distanze piccole come il nucleo
dell’atomo, e i due protoni si attraggono l’un l’altro!
Il neutrone, invece, non ha carica elettrica, quindi non viene respinto, ma se è
sufficientemente vicino al protone, ne viene attratto. In questo caso, infatti, entra in
gioco solo la forza forte!
Nella realtà, per potersi attrarre protoni e neutroni devono trovarsi a distanze di circa
un milionesimo di milionesimo di millimetro!
Sull’adesivo:
Quello che vedi rappresenta il nucleo di un atomo. Hai già trovato l’elettrone che
orbita intorno a questo nucleo da qualche parte in città….??? Vai a cercarlo!
Sull’elettrone in città:
Questo è un elettrone che orbita intorno al nucleo di un atomo.
Se vai a visitare la mostra “La Natura si fa in 4” dell’Infn, troverai il nucleo
corrispondente: centomila volte più piccolo dell’orbita di questo elettrone!
2.3 Cubo Nucleo manipolabile: 2D, G
8. e 8bis DIDA Il nucleo-puzzle (cubo 2.3)
8. Dida:
I nuclei degli atomi sono formati da protoni e neutroni, a loro volta composti da
quark. Esistono sei tipi diversi di quark, ma quelli che compongono protoni e
neutroni sono solo di due tipi: i quark up e i quark down. In Natura, non tutte le
combinazioni sono possibili… Prova a costruire un nucleo “sensato”.
Istruzioni:
Gli “spicchi” rappresentano i quark e le piccole calamite su di essi rappresentano la
forza forte che tiene uniti i quark all’interno di protoni e neutroni. La stessa forza
tiene insieme anche i protoni e i neutroni all’interno del nucleo e, in questo caso, è
raffigurata dalle barre di metallo.
1. Prova a costruire un protone: ti servono due quark up (in nero) e un quark down
(in bianco); per un neutrone, invece, un quark up e due quark down.
2. Prova ora a costruire alcuni nuclei atomici unendo i protoni e i neutroni che hai
ottenuto con i quark.
8bis. Dida:
Combinazioni possibili:
Hai a disposizione abbastanza “ingredienti” per costruire i nuclei degli atomi di
idrogeno, deuterio, trizio, elio 3 ed elio 4:
Hai provato a mettere insieme tre quark up (o down) uguali? Gli “spicchi” non
combaciano perfettamente: in Natura questa combinazione non è impossibile, ma è
assai rara e poco stabile. Inoltre, non esistono nuclei formati solo da protoni o solo da
neutroni. Ecco perché non riesci a creare un nucleo fatto di sole sfere bianche o nere.
6. GRAFICA DI APPROFONDIMENTO: (cubo 2.3)
2.4 Cubo Videogioco: D, S
9. DIDA I gluoni: (cubo 2.4)
Prova il videogioco al computer! Potrai così capire come hanno fatto i fisici a
scoprire la struttura interna del protone…
I fisici utilizzano gli acceleratori di particelle come dei particolari “microscopi”: per
“vedere” i protoni al loro interno, li bombardano ad esempio con elettroni a diverse
energie. In questo modo, si è scoperto che il protone è composto da tre quark, i quali
si scambiano continuamente dei gluoni (dall’inglese glue, colla), che sono i mediatori
della forza forte. All’interno del protone, l’interazione forte tra i quark è tanto più
intensa quanto più essi sono separati l’uno dall’altro. È come se i quark si trovassero
alle estremità di molle: così, quanto più le molle sono tese, tanto più richiamano a sé
le loro estremità, tirando i quark l’uno verso l’altro.
Quark e gluoni sono particelle dotate di carica di colore. Questo “colore” però non ha
nulla a che vedere col colore come lo intendiamo comunemente noi! Si chiama così
perché alcune regole per combinare i quark ricordano le regole per ottenere la luce
bianca dai colori primari. La forza forte agisce dunque tra particelle dotate di carica di
colore.
5. SCHEDA DI APPROFONDIMENTO: (cubo 2.4)
Nuclei, quark e gluoni
All’interno del nucleo atomico, a distanze più piccole di qualche milionesimo di
miliardesimo di metro, si trovano i neutroni e i protoni. La loro massa è quasi
duemila volte maggiore di quella degli elettroni e, seppur costretti in uno spazio
davvero “scomodo”, nei nuclei più pesanti essi possono convivere anche in più di
duecento. Mentre i neutroni non hanno alcuna carica elettrica, sono i protoni a dare al
nucleo la carica positiva che lo caratterizza. Ma come fanno a convivere senza
respingersi in un volume così ristretto? A distanze come le dimensioni di un nucleo,
vi è una forza molto più intensa dell’interazione elettromagnetica, in grado di vincere
la repulsione tra i protoni carichi e, allo stesso tempo, di legare i protoni e i neutroni
tra loro. È l’interazione forte, il “collante” nucleare che agisce solo a distanze
brevissime ed è cento volte più intenso della forza elettromagnetica.
Rappresentazione del nucleo di un atomo, formato da protoni (in rosso) e neutroni (in
verde). Intorno al nucleo orbitano gli elettroni (in blu).
L’origine dell’interazione forte è da ricercare a distanze ancora più piccole delle
dimensioni dei neutroni e dei protoni. Neanche questi costituenti del nucleo, infatti,
sono indivisibili: essi sono formati da quark, particelle elementari come gli elettroni
(così, almeno, si ritiene oggi). I neutroni e i protoni esistono proprio grazie
all’interazione forte tra i quark ed è per un effetto “residuo” di questa interazione che
essi si legano a costituire il nucleo. Per formare neutroni e protoni, però, servono dei
quark con una “firma” speciale. I quark, infatti, possono esistere in sei diversi
“sapori” - up, down, charm, strange, top e bottom - ma solo i tipi up e down, a gruppi
di tre, formano i protoni (up, up e down) e i neutroni (down, down e up).
Anche l’interazione forte, come le altre interazioni, richiede l’intervento di particelle
mediatrici che hanno la stessa funzione di scambio dei fotoni nel caso della forza
elettromagnetica. Il loro nome originale, gluoni, viene dalla versione inglese della
parola “colla” e questo rende chiara l’azione della forza forte! Come una colla,
l’interazione non consente ai quark di esistere isolati: ognuno di essi crea attorno a sé
un campo di forza che lo lega a un altro compagno tramite uno scambio continuo di
gluoni. Quando due quark si allontanano l’uno dall’altro, l’intensità dell’interazione
aumenta proprio come farebbe una molla tesa. E come la molla, che oltre una certa
estensione si rompe, così il legame tra i quark a un certo punto si spezza trasformando
la sua energia in due nuovi compagni per i quark di partenza.
Rappresentazione
dell’interazione
forte tra due quark. La forza è simile a quella esercitata da una molla: quanto più i
due quark sono lontani, tanto più la molla è tesa e li richiama l’uno verso l’altro.
Approfondimento 1: Forte ma impercettibile …
Per quanto sia la più intensa esistente in Natura, l’interazione forte non è certo molto
familiare. Essa tiene insieme tutta la materia, eppure non ce ne accorgiamo mai! Il
motivo della nostra “insensibilità” è nel raggio d’azione dell’interazione, la massima
distanza, cioè, a cui una forza può far sentire i suoi effetti. Contrariamente a quello
della forza elettromagnetica, che è infinito, il raggio d’azione dell’interazione forte ha
un valore finito e piccolissimo, delle dimensioni di un nucleo atomico. Per questo non
ne sentiamo gli effetti: un’azione a distanze così piccole, per quanto intensa, per noi è
impercettibile!
Approfondimento 2: Uniti dal colore
Come la forza elettromagnetica agisce solo tra particelle con carica elettrica,
l’interazione forte deve la sua esistenza a una particolare caratteristica dei quark: la
carica di colore (che non ha nulla in comune con i colori a cui siamo abituati). La
carica di colore può assumere tre forme, rosso, verde e blu, e tre corrispondenti
cariche di colore complementari, o anti-colore. Tuttavia non si sono mai osservate
particelle “colorate” isolate, ma solo a coppie o a gruppi di tre (come avviene per i
quark). E la combinazione delle tre è tale che tutte le particelle osservabili hanno
complessivamente un “colore neutro”.
3. POSTER
DAVANTI
La forza forte
La forza forte è l’interazione che agisce all’interno del nucleo di un atomo, legando i
suoi costituenti, protoni e neutroni (che a loro volta sono composti da quark), come
un potentissimo “collante”. Si tratta di una forza tanto intensa da tenere uniti nel
nucleo anche molti protoni, che hanno tutti carica elettrica positiva, vincendo così
l’azione della forza elettromagnetica che li porterebbe a respingersi.
La forza forte agisce tra particelle dotate di carica di colore. I quark sono dotati di
questa proprietà, anche se questo “colore” non ha nulla a che fare con quelli a noi
familiari! Si chiama così, perché alcune regole per combinare i quark ricordano le
regole per ottenere la luce bianca dai colori primari.
I quark all’interno del nucleo interagiscono tra di loro scambiandosi dei gluoni, le
particelle mediatrici della forza forte. Possiamo immaginare il fascio di gluoni come
una molla che unisce i quark. Quanto più i quark si allontanano, tanto più la molla è
tesa e li richiama l’uno verso l’altro.
L’interazione forte tra due quark si comporta come una forza attrattiva tanto più
intensa quanto più i quark sono separati l’uno dall’altro. E’ quindi una forza simile a
quella esercitata da una molla.
RETRO
Il Large Hadron Collider (Lhc)
A Ginevra, in una galleria circolare lunga 27 chilometri, a circa 100 m di profondità, è
stata costruita la più potente, grande e precisa macchina mai realizzata dall’uomo. Si
chiama Lhc (Large Hadron Collider) e i fisici italiani dell’Infn sono responsabili
della progettazione e della realizzazione di parti importantissime.
Lhc è un acceleratore di particelle ad anello nel quale due fasci di protoni (o nuclei
più pesanti) circoleranno ad altissima velocità in due sensi opposti, per poi scontrarsi
in quattro punti diversi dell’anello. Le particelle attraverseranno un primo sistema di
acceleratori più piccoli, per essere poi iniettate in Lhc: qui saranno portate a energie
ancora maggiori, fino a raggiungere velocità prossime alla velocità della luce. Nella
loro corsa saranno guidate e focalizzate da magneti superconduttori, in grado di far
circolare intense correnti elettriche senza dispersioni. Perché questo si realizzi, però, i
magneti devono essere mantenuti a temperature bassissime (inferiori a 270° C sotto
zero), più basse di quelle che un astronauta troverebbe nel Cosmo…
Negli scontri i ricercatori sperano di poter identificare il tanto atteso bosone di Higgs:
la particella che è all’origine della massa di tutte le particelle. Inoltre, ci si aspetta di
osservare un plasma di quark e gluoni, lo stato in cui la materia si presentava pochi
milionesimi di secondo dopo il Big Bang: durerà solo pochissimi istanti, ma per i
fisici sarà un tempo sufficiente e potranno così osservare un fenomeno che non si
verifica da 14 miliardi di anni!
Infografica di Lhc
Foto di Atlas:
DIDA: L’esperimento Atlas presso Lhc.
FORZA DEBOLE (colore cubi: giallo)
3.1 Cubo teca della radioattività: D, 2G, S
10. DIDA Radioattività “beta” (cubo 3.2)
bosone
Muovi il contatore geiger davanti ai diversi oggetti. Quanto sono radioattivi?
La radioattività è un fenomeno molto comune: in Natura esistono numerosi materiali
radioattivi, cioè costituiti da nuclei instabili.
La radioattività beta si verifica quando un nucleo radioattivo si trasforma in un nucleo
più stabile con l’emissione di elettroni (in questo caso detti “raggi beta”) e di
antineutrini (particelle con alcune proprietà opposte a quelle dei neutrini). All’interno
del nucleo è un neutrone a trasformarsi in un protone (o viceversa): è una delle
manifestazioni della forza debole. Nell’interazione tra il neutrone e il protone viene
emesso un bosone W, una delle particelle mediatrici della forza debole.
• La lancetta del finto orologio proviene da una vecchia sveglia degli anni ’50.
Per far sì che si vedesse al buio, la lancetta venne dipinta con una vernice
contenente una piccola quantità di materiale radioattivo (un sale di radio 226)
mescolato a una sostanza luminescente (in genere solfuro di zinco). Già a
partire dalla fine degli anni ‘60 il radio 226 fu sostituito con sostanze
radioattive meno pericolose.
• Anche l’ambiente che ci circonda è debolmente radioattivo: il contatore
misura la radioattività che vi è contenuta.
• Il minerale di uranio di provenienza italiana contiene tutti gli elementi
appartenenti alla famiglia radioattiva dell’uranio 238. Il nostro contatore
misura i decadimenti di questi elementi, fra cui il radio 226.
7. GRAFICA DI APPROFONDIMENTO: (cubo 3.1)
8. GRAFICA DI APPROFONDIMENTO: (cubo 3.1)
6. SCHEDA DI APPROFONDIMENTO (cubo 3.1)
Radioattività e forza debole
Neutroni e protoni si spartiscono lo spazio all’interno del nucleo rispettando precisi
accordi che regolano la loro movimentata convivenza. Come inquilini di uno stesso
appartamento, infatti, hanno buoni motivi per rimanere uniti, ma talvolta hanno anche
buone ragioni per fare del loro spazio un luogo davvero “instabile”. Una regola
fondamentale, ad esempio, è che ci sia un certo equilibrio tra il numero dei protoni e
quello dei neutroni. Non è necessario che siano uguali: come avviene nei nuclei più
pesanti, i neutroni possono essere anche in numero doppio per compensare, con
l’interazione forte tra loro e con i protoni, la repulsione elettrica tra i protoni carichi.
La loro massa, però, è maggiore di quella dei protoni e quando il loro numero supera
un certo limite diventa più conveniente che un neutrone “decada” in un meno
“ingombrante” protone. Il nuovo nucleo sarà più leggero e più stabile e nella maggior
parte dei casi avrà anche un nome diverso: sarà un nuovo elemento... Il fenomeno è
quello della radioattività beta. Normalmente, però, i neutroni dei nuclei atomici non
decadono, altrimenti tutta la materia sarebbe instabile: la trasformazione avviene solo
in queste condizioni di particolare “sovraffollamento”.
Decadimento beta del carbonio: il
carbonio 14 (formato da 6 protoni e
8 neutroni) nel trasformarsi in un
nucleo di azoto 14 (formato da 7
protoni e 7 neutroni) emette un
elettrone e un antineutrino.
Al contrario, il neutrone decade sempre quando è libero, fuori dal nucleo, ma impiega
ben 14 minuti, un tempo lunghissimo rispetto ai decadimenti dovuti alle interazioni
elettromagnetica e forte. È stata proprio la lentezza di questo processo a far pensare
che esso fosse dovuto a una nuova forza, molto più debole delle altre due:
l’interazione debole. Essa è
responsabile della radioattività beta
che è sempre accompagnata dalla
“creazione” di due nuove particelle:
un elettrone (anche detto particella
beta) e una seconda particella
chiamata anti-neutrino,
l’antiparticella del neutrino.
Decadimento di un neutrone in un protone:
il bosone mediatore W- emesso nel
processo decade in breve tempo in un
antineutrino (giallo) e un elettrone (blu).
Delle quattro interazioni, l’interazione debole sembra dunque la più singolare. Essa
non si manifesta mai come una forza che “tiene assieme” le particelle, piuttosto le
“trasforma” in particelle diverse e talvolta le “devia” semplicemente. Ci sono due
buone ragioni, poi, se come accade per la forza forte non percepiamo l’azione
dell’interazione debole: come conferma il suo nome è molto debole, circa centomila
volte meno intensa della forza nucleare forte, e agisce a distanze per noi
inimmaginabili: il suo raggio d'azione è inferiore alle dimensioni di un nucleo
atomico. Come le altre interazioni, anche la debole può essere interpretata come uno
scambio di particelle “messaggere” e in questo caso ce ne sono ben tre: sono i bosoni
mediatori W+, W- e Z0.
Approfondimento 1: La carica è debole
Sono soggette alla forza debole le particelle dotate di carica debole, una proprietà che
ha per la forza debole lo stesso ruolo che hanno la carica elettrica per la forza
elettromagnetica e la carica di colore per la forza forte. Ne sono caratterizzate tutte le
particelle elementari con la sola esclusione dei gluoni e dei fotoni.
L’interazione nucleare debole, quindi, agisce sui quark dei neutroni e dei protoni, ma
interagiscono mediante la forza debole anche i leptoni, la famiglia di particelle che
insieme ai quark completa il quadro delle particelle elementari. Essa comprende gli
elettroni, i muoni, le particelle “tau” e infine i neutrini. Ogni volta che sono scambiati
i bosoni mediatori carichi, W+ e W- l’interazione debole comporta una mutazione del
sapore delle particelle, come accade ai quark nel decadimento del neutrone, o come
avviene ai leptoni nel decadimento del muone e nei processi di cattura dei neutrini.
Il decadimento del neutrone visto dal suo interno: un quark down (arancione) del
neutrone interagisce mediante l’interazione debole e si trasforma in un quark up
(bianco), emettendo il bosone mediatore W che decade in un antineutrino (giallo) e
un elettrone (blu).
Approfondimento 2: Pesanti mediatori …
Le particelle che sono scambiate nell’interazione debole, i bosoni mediatori W+, We Z0 sono particelle relativamente pesanti, quasi 100 volte più pesanti di un protone!
Proprio a causa della grande massa è stato difficile scoprirne sperimentalmente
l’esistenza. Per produrre in un acceleratore una particella con una grande massa,
infatti, occorre moltissima energia e questo richiede acceleratori molto potenti e
tecnologicamente sofisticati. Per questo si è dovuto aspettare fino all’avvento degli
acceleratori moderni perché i ricercatori potessero confermare l’effettiva esistenza dei
mediatori della forza debole. L’esperimento che ha permesso ai fisici di “vedere” i
‘pesanti mediatori della forza debole si è svolto al Cern di Ginevra nel 1983 ed è valso
il premio Nobel per la fisica all’italiano Carlo Rubbia, nel 1984.
3.2 Cubo cartone animato: S, G
TESTO AUDIO DEL CARTONE ANIMATO:
PERSONAGGI:
Neutrini:
1. Nino: neutrino solare (protagonista)
2. Na: neutrino atmosferico
3a. N2: neutrino che decade nel Gran Sasso
3b. No: neutrino che proviene dall’altra parte dell’emisfero
4. P: protone
5. F: fotone
6. Mu: muone
Il fantastico viaggio del neutrino Nino
N: Ciao. Io mi chiamo Nino e sono un neutrino. E’ lì nella pancia del Sole, dove
avviene la fusione termonucleare, che sono venuto al mondo!
Il neutrino che parla in primo piano, sullo sfondo il sole e il fascio di neutrini
emessi…
Adesso, insieme ai miei fratelli (neutrini solari, come me!) viaggio nello spazio…
Immagine dello sciame di neutrini in viaggio.
Nessuno ci ferma, noi neutrini siamo piccoli e sfuggenti quasi invisibili e vedrete che
arriveremo quasi tutti fino alla Terra…
Immagine della terra vista dallo spazio
P: Eh già beati voi che ve ne andate tranquilli per lo spazio…per noi protoni è tutta
un’altra storia. Per il fatto che siamo carichi, appena usciamo dalle stelle, i campi
magnetici galattici ci tirano da tutte le parti, non c’è verso di andare diritti… E poi
alla fine c’è anche il campo magnetico terrestre...
Lo spazio attraversato da raggi cosmici che provengono da tutte le parti: sono
protoni, particelle alpha…
N: Eh certo tu protone le forze dell’Universo le senti proprio tutte, quella
elettromagnetica, quella forte e pure la debole…! Sei proprio ipersensibile, prima o
poi in un modo o in un altro devi per forza interagire e disintegrarti…
P: Un pezzo di viaggio assieme però riusciamo a farlo, almeno fino all’atmosfera
della terra…
F: Ehi ragazzi guardate che ci siamo anche noi! Noi fotoni fino alla terra ci arriviamo
alla velocità della luce…
lI fotone comincia ad accompagnare lo sciame di neutrini e raggi cosmici.
N: Eccola l’atmosfera terrestre, guardate ci siamo…guardate quanta roba, cosa sono
quelle specie di palloni enormi..?
F: Sono gli atomi dell’atmosfera, ma voi neutrini sfreccerete senza neanche
accorgervene… ci possono essere dei guai per noi, ma soprattutto per i protoni…
Immagine dell’atmosfera da lontano, e poi zoom successivi, in cui si distinguono gli
atomi inizialmente come minuscoli punti, che diventano poi via via più grandi, fino a
vedere i nuclei come dei grandi palloni, composti di decine di parti più piccole.
P: Eh, già… Noi risentiamo sia della forza forte che di quella elettromagnetica… Ciao
ragazzi mi sa che non ci vedremo piùuuu….
Si sentono urla varie, mentre i neutrini sfilano veloci e indisturbati.
Alcuni fotoni che entrano nella nube che circonda gli atomi vengono inghiottitti
(glurp, glurp).
I protoni vengono deviati drasticamente più volte, fino a collidere con i nuclei:
quando vanno a sbattere contro i nuclei, è come se svanissero (con una specie di
“schioppo”), i nuclei si rompono in diversi frammenti e contemporaneamente si
generano delle particelle “secondarie” in particolare i pioni (π+, π- e π0).
Il neutrino osserva stupito quello che succede…
N: Che roba, l’amico protone è sparito e… voi chi siete?
Dalle cascatelle di particelle si sentono in sequenza le voci dei tre pioni, il pione acuta, il pione+ stranita, il pone 0 grave.
Pioni, pioni, pioni!!
Ma dopo poco i pioni + e - urtano a loro volta contro altri nuclei e producono altre
particelle: i muoni e neutrini atmosferici (molto energetici). I pioni 0 invece decadono
in coppie di raggi gamma.
In primo piano si vedono ora Nino, il neutrino atmosferico Na e il muone Mu
N: Ohh…! Incredibile…Anche i pioni son spariti in men che non si dica…
Na: Ciao cugino solare!!!
N: Ehi, ciao cugino atmosferico…!!! Oh! Come siete agitati voi che nascete
nell’atmosfera, certo che avete un sacco di energia..! E quello chi è…?
Na: E’ il muone! Sia io che lui siamo stati generati dai pioni carichi…
Mu: Ciao ragazzi!!
N: Certo che ne succedono di cose strane in questa atmosfera terrestre… Eh?!?
Ora si vedono in primo piano Nino, Na, il muone e il fotone. In lontananza si
intravede il Gran Sasso.
N: Ehi, ragazzi – si fa a chi arriva prima al centro della terra?
F: Sì, dai!! Ma io non so se ci riuscirò… Noi fotoni non siamo mica come voi
neutrini, che passate attraverso qualsiasi cosa… (a meno che non vi capiti
un’interazione debole!)
Ora il Gran Sasso è molto vicino.
Na: Guarda, quello è il Gran Sasso, dicono che sotto a quella montagna ci sia una
specie di macchina fotografica gigante per neutrini…
N: Tu passi e loro riescono a vederti…
Mentre i neutrini e il muone entrano nella roccia, il fotone si ferma sulla superficie e
si spiattella contro la roccia (con un suono tipo squick squick) per essere poi
assorbito.
F: sento la forza elettromagnetica della roccia mi sta per inghiottire!! addio Neutrini e
buon viaggiooo… ….squick squick.
Ora l’ambientazione è sotterranea, sono rimasti i neutrini solari e atmosferici e il
muone. La struttura atomica della roccia è simile a quella atmosferica.
Mu: Che buio qua sotto…! Certo i fotoni della luce qua sotto non ci possono proprio
arrivare, dovrebbero avere un’energia grandissima, come quella che ho io…
Mu: Ma, ohi che mi succede, la forza elettromagnetica mi fa sbandaaaree…
Il muone viene deviato ripetutamente dagli atomi e più decisamente dai nuclei
interni, andando un po’ a zig zag... ad ogni deviazione inoltre rallenta un pochino,
fin quasi a fermarsi.
Mu: E ora sento che sto per decadere…è la forza deboleee...
Il muone decade in un positrone (e+), neutrino-e ed antineutrino-mu. Il positrone
viene velocemente assorbito dalla nuvola elettronica di un atomo. Neutrino ed
antineutrino si allontanano…
N: Ohi anche il muone si è fermato…ma noi ce la faremo?
Na: Ma dai! Noi non siamo carichi, non sentiamo la forza elettromagnetica né quella
forte, fermarci è quasi impossibile…
N2: Ehi ma che succede, oh oh sparisco…
Un neutrino (quello generato dal muone) si incontra con un neutrone e si creano un
elettrone e un protone.
N: Ecco appunto ho detto “quasi”…Ogni tanto anche la forza debole si fa sentire…
N: Oh guarda ecco, è qui che i fisici cercano di vederci…
Na:Non me amico….
Alcuni, pochissimi neutrini, interagiscono con i nuclei del liquido scintillante,
svaniscono e danno origine a elettroni che producono lampi luminosi.
Nino (neutrino solare) urta contro un elettrone degli atomi del liquido scintillante,
deviando leggermente la sua traiettoria ma proseguendo il suo viaggio; dopo qualche
frazione di secondo l’elettrone riemette questa energia producendo un lampo
luminoso che viene “fotografato”( dai foto-tubi di Borexino).
N: (in tono da presa in giro, rivolgendosi verso il liquido scintillante) Mi hai visto,
ma io vado avanti!!
Poi Nino e il neutrino atmosferico continuano la loro corsa verso il centro della
terra, ma dopo un po’ incontrano fasci di neutrini che vanno nella direzione opposta.
N: Oh bella e voi da dove venite?
No: Dagli antipodi, dall'altra parte della terra…Siamo andati sempre dritti ed eccoci
qua…
Questi neutrini che vengono dagli antipodi hanno delle fattezze asiatiche. La
conversazione è concitata e le voci si perdono mentre i due gruppi sfrecciano e si
allontanano in direzioni opposte.
Na: E non vi siete fermaaati al centro? Dicono che sia incandescente! E’ come il
soleee..?
No: Mah nooo! Bazzeeecole…E comuuunque come potevaaamo fermarciii…??
Nino e Na passano il centro della terra senza riuscire a fermarsi…Entrambi si
guardano con espressione perplessa...
N:In effetti ora come facciamo a fermarci??!
Na: Mica continueremo a viaggiare all’infinitoooo…???
Nino e Na escono dalla Terra e si allontanano nel cosmo…
7. GRAFICA DI APPROFONDIMENTO: (cubo 3.2)
1 SCENA
Le particelle che provengono dal cosmo (chiamate raggi cosmici primari) come
protoni e fotoni, interagiscono con gli atomi dell’atmosfera terrestre.
I fotoni, a causa della loro interazione elettromagnetica con gli atomi, vengono
assorbiti e, nel caso siano fotoni della luce blu, riemessi.
2 SCENA
Tramite la forza forte, i protoni rompono i nuclei degli atomi, producendo sciami di
nuovi nuclei e particelle (chiamati raggi cosmici secondari), come i pioni (π+, π-, π0)
e i muoni. È molto improbabile che i neutrini (come Nino), che sono particelle
estremamente elusive, risentano dell’interazione con altre particelle.
3 SCENA
Per effetto della forza debole, i pioni carichi (π+, π-) decadono in un muone e neutrino
(o antineutrino) muonico in pochi miliardesimi di secondo. Il pione neutro (π0) decade
molto più rapidamente in due fotoni per effetto della forza elettromagnetica.
4 SCENA
Alcune particelle prodotte nell’atmosfera, come i muoni, raggiungono la terra e
quelle particolarmente energetiche penetrano nel sottosuolo terrestre.
Per effetto della forza debole, un muone può decadere in un neutrino muonico più un
elettrone e un antineutrino elettronico.
5 SCENA
Per effetto dell’interazione debole un neutrone assorbe un neutrino trasformandosi in
un protone più un elettrone. Tuttavia è un processo estremamente raro.
6 SCENA
Nell’esperimento sotterraneo Borexino, al Gran Sasso, i neutrini interagiscono tramite
la forza debole con gli elettroni di un liquido “scintillante”. Anche in questo caso si
tratta di processi estremamente rari, ma sono osservabili grazie alle grandi dimensioni
della sfera che contiene il liquido. Gli elettroni prodotti provocano nel liquido
l’emissione di fotoni, che vengono rivelati da speciali “occhi” elettronici (i
fotomoltiplicatori).
PRESENTAZIONE DELLE PARTICELLE (I PERSONAGGI)
Sono particelle generate nelle interazioni di tipo debole, come quelle che avvengono
nella reazioni nucleari del Sole (neutrini solari) o nei processi prodotti dai raggi
cosmici nell’atmosfera (neutrini atmosferici). Poiché risentono solo della forza
debole, i neutrini interagiscono molto raramente con altre particelle.
I protoni (carichi positivamente) e i neutroni (neutri), chiamati anche in generale
nucleoni, sono le particelle che costituiscono il nucleo atomico, in cui sono legati
dalla forza forte.
Possono interagire anche tramite la forza debole e quella elettromagnetica.
Le particelle alpha (nuclei di elio) sono composte da due neutroni e due protoni.
Sono le particelle della radiazione elettromagnetica. Possono avere differenti
frequenze (e quindi energie), corrispondenti ad esempio alla radiazione infrarossa, alla
luce visibile o ultravioletta, fino ai fotoni particolarmente energetici, chiamati raggi
gamma.
Appartengono a una famiglia di particelle, chiamate leptoni. Il muone e l’elettrone
sono carichi negativamente, le loro antiparticelle invece hanno carica positiva.
Risentono, oltre che della forza elettromagnetica, anche della forza debole, tramite cui
il muone si può trasformare in un elettrone.
Appartengono a una famiglia di particelle, chiamate adroni (come anche i protoni e i
neutroni). I pioni vengono prodotti a causa della forza forte, come ad esempio
nell’interazione dei raggi cosmici con i nuclei degli atomi dell’atmosfera. Risentono
anche della forza debole e, se sono carichi, anche di quella elettromagnetica.
7. SCHEDA DI APPROFONDIMENTO (cubo 3.2 (e 3.3.))
I neutrini e il Sole
Ogni secondo, attraversano la punta di un nostro dito 60 miliardi di neutrini, le
particelle più abbondanti dell’Universo! Hanno una massa piccolissima, almeno un
milione di volte più piccola di quella degli elettroni e sono particelle fondamentali,
come gli elettroni, o come i quark che compongono i neutroni e i protoni del nucleo
(così si ritiene oggi). Tuttavia, a differenza di queste, i neutrini non sono costituenti
degli atomi. Da dove vengono allora?
Non hanno carica elettrica, né carica di colore, quindi non risentono della forza
elettromagnetica, né della forza forte. Sono le uniche particelle che hanno unicamente
la carica debole e che per questo sono soggette solo alla forza debole (oltre alla forza
gravitazionale che però è trascurabile nelle interazioni tra particelle). Date le poche
possibilità che hanno di interagire, e la debolezza dell’unica forza a cui sono soggetti,
i neutrini interagiscono molto raramente con la
materia che attraversano: per questo sono le
particelle più sfuggenti e più difficili da rivelare.
Le reazioni di fusione termonucleare che alimentano il Sole hanno luogo nella parte
centrale della stella, il nucleo, dove la densità e la temperatura della materia sono
tali da permetterne l'innesco.
Grandi quantità di neutrini sono prodotte nel cuore delle stelle, nelle reazioni e
trasformazioni che le alimentano e le tengono in “vita”. Qui, dove la densità e la
pressione sono enormi, due protoni (nuclei di idrogeno) possono avvicinarsi fino a
fondersi in un unico nucleo. La fusione termonucleare che si innesca in questo modo
avviene soprattutto per effetto dell’interazione forte, ma il nucleo ottenuto dalla
fusione dei due protoni non è un nucleo stabile e decade in un nucleo differente. Un
protone si trasforma così in neutrone formando un nucleo di deuterio (deutone), e
questo avviene per effetto della forza debole. È il processo inverso rispetto al
fenomeno della radioattività beta, ma nel caso della fusione non sono prodotti
antineutrini, come nel decadimento beta, bensì neutrini!
L’interazione debole, poi, è così debole che le reazioni di fusione avvengono con
grande “lentezza”, alimentando l’esistenza delle stelle per miliardi di anni: sono tempi
lunghissimi rispetto alla nostra scala temporale.
La reazione primaria di fusione termonucleare nelle stelle: due nuclei di idrogeno
(due protoni) si fondono a formare un deutone, un nucleo composto da un neutrone e
un protone. Nella trasformazione, un protone si trasforma in neutrone e viene
+
scambiato un bosone mediatore W che decade immediatamente in un positrone (un
elettrone positivo) e un neutrino.
Moltissimi altri neutrini sono prodotti quando una stella di grande massa esaurisce il
combustibile nucleare e collassa su se stessa. Nella fase finale, essa esplode
emettendo un’enorme quantità di energia sotto forma di luce e di materia: è la
supernova. Anche all’interno delle galassie ci sono sorgenti di neutrini, come i quasar
e le pulsar e forse anche le zone vicine ai buchi neri.
Esistono poi i neutrini di tipo fossile, o primordiali, che si sono prodotti e diffusi in
tutto l’Universo alcuni istanti dopo il Big Bang. Nello Spazio, essi viaggiano in tutte
le direzioni: in ogni centimetro cubo se ne trovano circa 300, ma hanno energie
bassissime, anche un miliardo di volte più piccole di quelle dei neutrini emessi dal
Sole. È quasi impossibile poterne rivelare la presenza. Vi sono inoltre neutrini
atmosferici, prodotti insieme a molte altre particelle quando raggi cosmici di
elevatissima energia urtano con l'atmosfera del nostro pianeta, producendo pioni,
kaoni e altre particelle che decadono in breve tempo originando muoni e neutrini.
Interagendo molto debolmente con la materia essi si propagano poi indisturbati fino
alla superficie terrestre e oltre, attraversando la Terra come se niente fosse…
Approfondimento 1: Interazioni” scariche”
I bosoni mediatori dell’interazione debole sono tre e non a caso… Ogni cambiamento
indotto dall’interazione debole, infatti, può portare con sé anche un cambiamento
della carica elettrica, per questo esistono due bosoni mediatori W+ e W- con cariche
opposte. La forza debole, però, interviene anche quando i neutrini, attraversando la
materia, collidono contro gli elettroni degli atomi oppure contro i quark dei nuclei
atomici essendo così deviati dalla loro traiettoria iniziale. In questi processi la carica
elettrica delle particelle resta immutata perché essi avvengono grazie allo scambio del
bosone mediatore neutro Z0. In questo caso non cambia la carica debole delle
particelle che mantengono quindi la loro identità originaria.
Approfondimento 2: Neutrini parenti …
I neutrini non sono tutti uguali. Anche loro, come i quark e i leptoni carichi, hanno un
sapore: esistono infatti neutrini di tipo elettronico, muonico e di tipo tau. I neutrini
di tipo elettronico, prodotti principalmente dentro le stelle, sono i più diffusi. Sono
prodotti anche nell’atmosfera, ma i neutrini atmosferici sono soprattutto muonici e
molto più energetici dei neutrini solari. I tre diversi tipi di neutrini possono
trasformarsi gli uni negli altri, cioè possono cambiare il loro sapore: un fenomeno
chiamato oscillazione dei neutrini. L’oscillazione di sapore, però, non sarebbe
possibile se i neutrini fossero privi di massa: l’osservazione del fenomeno negli
esperimenti è quindi una conferma del fatto che i neutrini hanno una massa, seppur
piccolissima.
3.3 Exhibit dei neutrini: nessuna didascalia, ma vedi 7. SCHEDA DI
APPROFONDIMENTO
4. POSTER:
DAVANTI
La forza debole
La forza debole si manifesta apparentemente in modo un po’ diverso rispetto alle
altre forze. Essa non “tiene assieme” le particelle: piuttosto potremmo dire che nella
maggior parte dei casi le “trasforma” in particelle diverse! Sono manifestazioni in
Natura della forza debole, ad esempio, alcune reazioni nucleari che alimentano la
produzione di energia nelle stelle e i processi radioattivi di tipo beta.
La forza debole ha come protagoniste le particelle dotate di carica debole. Con
l’esclusione dei gluoni e dei fotoni, tutte le particelle elementari note sono soggette
all’interazione debole. Le uniche particelle soggette esclusivamente alla forza debole
sono i neutrini.
I mediatori della forza debole sono i bosoni W+, W- e Z0. Tre particelle pesantissime
rispetto alle altre particelle elementari, quasi 100 volte più pesanti di un protone!
Quando una particella soggetta alla forza debole decade in altre, più leggere, viene
sempre emesso un bosone carico W che poi, dopo un tempo brevissimo, scompare
trasformandosi in altre particelle. Sono queste ultime in definitiva le destinatarie del
messaggio del bosone!
Decadimento di un neutrone (verde) in un protone (rosso): quando il neutrone, per
effetto della forza debole, si trasforma in un protone, viene emesso un bosone W, il
quale poi decade in un antineutrino (giallo) e un elettrone (blu).
RETRO
Gli esperimenti sui neutrini al Gran Sasso
Pensare di poter studiare l’Universo chiusi in una grotta con attorno milioni di metri
cubi di roccia può sembrare molto strano. Ma è esattamente quello che accade ai
Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Infn. Qui decine di esperimenti danno la
caccia a particelle sfuggenti come i neutrini, cercano fenomeni rari che confermino
l’esistenza della materia oscura nel Cosmo, osservano l’attività nucleare del Sole…
La roccia sovrastante i laboratori serve a setacciare il più possibile tutte le particelle
cosmiche già ben conosciute, che altrimenti pioverebbero a miliardi. Lo scopo è di
selezionare solo le particelle che i ricercatori vogliono studiare: sono quelle che non
possono essere fermate dalla roccia perché interagiscono poco con la materia e
riescono così ad attraversare grandi strati senza incontrare reali ostacoli.
Così, là sotto, c’è una vera e propria centrale d’ascolto dell’Universo che può cercare
in modo mirato ciò che serve per spiegare la struttura e la dinamica dell’Universo.
In particolare, si cerca di catturare i neutrini che per le loro caratteristiche
interagiscono attraverso una sola forza fondamentale della natura: la forza debole. È
la forza debole, infatti, a essere responsabile di alcune delle reazioni nucleari che
alimentano la produzione dell’energia nel Sole. Ed è sempre la forza debole a essere
coinvolta nelle grandi esplosioni cosmiche che portano alla formazione di neutrini i
quali, proiettati in tutte le direzioni, iniziano così i loro lunghi viaggi nello Spazio.
Infografica di Borexino
Foto di Borexino
DIDA: La sfera dell’esperimento Borexino
FORZA GRAVITAZIONALE (colore cubi: verde)
4.1 Cubo tubo vuoto e paradosso meccanico: 2 D
gravitone
11. DIDA Un tubo vuoto: (cubo 4.1)
All’interno di uno dei due tubi è stato fatto il vuoto. Capovolgi i tubi e osserva
come cadono gli oggetti.
La piuma e il sasso cadono per effetto della forza gravitazionale. Ma nel tubo in cui
è stato fatto il vuoto, la piuma, che è molto più leggera del sasso, cade alla sua stessa
velocità. Come mai?
In questo tubo, la piuma e il sasso cadono insieme perché sono nel vuoto, e quindi non
risentono dell’attrito dovuto all’aria: tutti i corpi, in assenza di effetti dovuti ad altre
forze, sono soggetti alla stessa accelerazione di gravità, indipendentemente dalla loro
composizione e dalle loro dimensioni. L’accelerazione è determinata solamente dalla
massa della Terra ed è quindi uguale per tutti i corpi.
12. DIDA Il cono impossibile: (cubo 4.1)
Metti il doppio cono all’inizio della guida, in basso, e lascialo andare.
Il doppio cono apparentemente sale anziché scendere. Quella che sembra una
violazione delle leggi della gravità ha in realtà una spiegazione semplice: lo
spostamento di un corpo sotto l’azione della forza gravitazionale è dettato dal moto
del suo baricentro. Se osservi bene, noterai che il baricentro del doppio cono in effetti
sta scendendo, anche se il corpo nel suo complesso sembra salire.
Il comportamento apparentemente assurdo è dovuto alla particolare forma del cono e
delle due guide: per il baricentro esse rappresentano una discesa, e non una salita!
4.2 Exhibit bilancia: D
13. DIDA Una bilancia interplanetaria: (exhibit 4.2)
Sali sulla bilancia e guarda qual è il tuo peso, qui sulla Terra. Quanto peseresti
invece sulla Luna e su Marte? Ora, chiedi anche a un tuo amico di pesarsi:
quanto è intensa la forza gravitazionale che vi attrae l’uno verso l’altro?
La forza gravitazionale si esercita fra tutti i corpi come un’attrazione reciproca dovuta
alla loro massa: l’effetto della loro attrazione, cioè della forza gravitazionale tra di
essi, è tanto più intenso, quanto più i corpi sono vicini e quanto più grande è la loro
massa.
La bilancia misura la forza che la massa della Terra, della Luna e di Marte esercitano
su di te: è lo stesso tipo di forza che si esercita tra te e il tuo amico, solo molto più
intensa!
Dato che fra due masse c’è sempre l’azione della forza gravitazionale, la massa non è
altro che la “carica” di questo tipo di interazione. L’ipotetico mediatore della forza
gravitazionale è il gravitone, ma la sua esistenza fino ad oggi non è ancora stata
sperimentalmente verificata.
4.3 Cubo telo spaziotempo: D, S
14. DIDA Lo spaziotempo curvo: (cubo 4.3)
Il telo rappresenta lo spaziotempo, che è la struttura del nostro Universo, e quelle
che vedi sono due stelle. Lancia la pallina sul telo e prova a farle fare un’orbita
intorno a una delle due stelle.
Secondo la teoria della relatività di Einstein, non si possono separare le tre dimensioni
spaziali da quella temporale: così spazio e tempo vengono a costituire un’unica entità,
chiamata appunto spaziotempo.
La geometria dello spaziotempo viene modificata, e quindi incurvata, dalla presenza
di masse al suo interno. Possiamo quindi pensare al Cosmo come a una tela elastica su
cui poggiano come bocce i corpi celesti, e che si incurva maggiormente in
corrispondenza dei corpi più pesanti. Pertanto un corpo che orbita intorno ad un altro,
in realtà sta rotolando all’interno dell’avvallamento da esso creato nello spaziotempo.
In generale, tutti i corpi risentono della forza gravitazionale.
Quando grandi masse subiscono dei cambiamenti, come nell’esplosione di una
supernova, esse producono delle perturbazioni dello spaziotempo che si propagano
come le onde create da un sasso in uno stagno: sono le onde gravitazionali, le piccole
increspature che puoi osservare se cerchi di spostare la sfera più grande.
8. SCHEDA DI APPROFONDIMENTO: (cubo 4.3)
La gravità
Lo dice Newton, ma possiamo verificarlo anche da soli: se lasciamo cadere una mela,
essa cade fino a quando non trova qualcosa su cui appoggiarsi. Non siamo abituati a
pensare, però, che la gravità agisce anche “in orizzontale” e che due mele appoggiate
su un tavolo, in realtà, si attraggono. Non si muovono, è vero, ma questo dipende solo
dal fatto che l’interazione gravitazionale è straordinariamente debole rispetto alle
altre forze. Anzi, è la più debole: per osservarne gli effetti servono masse enormi. È la
forza che detta legge sull’orbita dei pianeti e dei satelliti, sulla struttura delle galassie
e dell’intero Universo, ma la nostra percezione quotidiana della sua azione è alterata
dal fatto che siamo irrimediabilmente appoggiati sul corpo più massiccio di tutto il
pianeta, la Terra stessa. Qualsiasi altra forza gravitazionale tra corpi è un’inezia, al
confronto con l’attrazione verso il suolo: per questo gli oggetti sulla Terra possono
solo cadere.
È chiaro, a questo punto, che la “carica” del campo gravitazionale è la massa, come la
carica elettrica per il campo elettromagnetico. Tra le particelle subatomiche, però,
questa carica ha effetti praticamente inesistenti: se confrontiamo la repulsione elettrica
tra i due protoni con la loro attrazione gravitazionale, scopriamo che la prima supera
la forza gravitazionale tante volte quanto un numero seguito da 36 zeri. Tra la Terra e
il Sole, tuttavia, la gravità è la forza dominante. La somma delle masse delle
tantissime particelle che li compongono, infatti, dà luogo a forze gravitazionali con
effetti considerevoli anche a distanze enormi (le forze elettromagnetiche, invece,
essendo in media uguale il numero di cariche positive e negative all’interno dei due
corpi, si neutralizzano). Per questo anche l’interazione tra corpi molto distanti
contribuisce alla struttura complessiva dell’Universo e ha effetti sulla velocità con cui
si espande, quindi anche sulla sua evoluzione.
La Luna orbita intorno alla Terra,
sotto l’effetto del suo campo
gravitazionale.
Per quanto sia la più familiare tra le
interazioni fondamentali, la gravità è
caratterizzata da molti aspetti ancora oscuri e, in definitiva, è quella che conosciamo
meno. Un aspetto misterioso, ad esempio, riguarda il mediatore dell’interazione,
analogo al fotone, al gluone e ai bosoni W+, Z0: ci si aspetta infatti che esso esista,
come è vero per tutte le altre interazioni, ma nessuno è riuscito ancora a osservarlo
sperimentalmente. I fisici, tuttavia, gli hanno già dato un nome: è il gravitone.
Approfondimento 1: Lo spaziotempo
Secondo la teoria della relatività di Albert Einstein l’Universo può essere
rappresentato come un tessuto in cui lo spazio e il tempo sono fittamente intrecciati: è
lo spaziotempo a quattro dimensioni. Al suo interno, lunghezze e intervalli di tempo
non hanno un valore assoluto, ma solo relativo alla velocità di chi li osserva.
Inoltre, gli effetti della forza gravitazionale sono inclusi nella teoria assumendo che
ogni corpo dotato di massa incurvi lo spaziotempo. Ogni altro corpo risulterà così
costretto a muoversi lungo una traiettoria curva, chiamata geodetica, che è la linea più
breve tra due punti su una superficie non piana. In altre parole, possiamo pensare al
Cosmo come a una tela elastica: appoggiandovi sopra delle bocce (i corpi celesti), la
deformazione che si crea è proporzionale alla loro massa e risulta così curvata anche
la traiettoria di altri corpi in movimento. La luce stessa è deviata quando passa
accanto ai corpi celesti, fino a essere totalmente risucchiata transitando vicino a un
buco nero, di densità elevatissima. Ecco un aspetto affascinante dello spaziotempo
curvo: non solo i corpi dotati di massa risentono dell’interazione gravitazionale, ma
anche la luce, che è fatta di fotoni privi di massa, è deviata dalla gravità!
La forza di gravità, secondo Einstein, non è
altro che una deformazione spaziotemporale. Maggiori sono la massa e la
densità di un corpo, maggiore è la
deformazione che essa provoca nello
spaziotempo circostante.
Approfondimento 2: Onde … di gravità
Einstein, che ne ha previsto l’esistenza, le immaginava come increspature sulla
superficie di uno stagno dopo il lancio di una pietra. Le onde gravitazionali sono
perturbazioni della struttura dello spaziotempo originate quando i corpi celesti si
muovono accelerando. Due oggetti investiti da un’onda gravitazionale, come spinti da
mani invisibili, subiscono uno spostamento impercettibile della loro posizione
relativa, che per una sorgente nella nostra galassia è dell’ordine di un miliardesimo di
milionesimo di millimetro. Per rivelare questi segnali, i fisici di tutto il mondo stanno
costruendo apparati sperimentali tanto sensibili da “sentire” e misurare, ad esempio, le
debolissime onde prodotte dall’esplosione di una stella. Nella nostra galassia, in
media, esplodono due o tre supernovae ogni cento anni. È quindi un evento piuttosto
raro e non dovremmo perdercelo: le sensibilità degli esperimenti attuali dovrebbero
garantire di rivelare le onde emesse dall'esplosione di una supernova all'interno della
nostra galassia o nelle galassie vicine.
4.4 Cubo Virgo: D
15. DIDA Antenne in ascolto: (cubo q)
Questo strumento è un interferometro laser, simile a quelli costruiti per rilevare
le onde gravitazionali. Batti con un dito sul piano su cui esso poggia, cosa accade
alla figura sullo schermo?
Sullo schermo puoi osservare le variazioni di interferenza tra due raggi laser riflessi
da specchi, il cui piano di sostegno è sottoposto a vibrazioni. Tali vibrazioni
producono un effetto analogo a quello causato nei grandi interferometri dal passaggio
di un’onda gravitazionale.
Quando due oggetti sono investiti da un’onda gravitazionale, essi subiscono
piccolissimi spostamenti: è quello che accade agli specchi che riflettono i fasci laser
dell’interferometro, quando batti il dito sul piano.
Lo spostamento, però, è talmente piccolo che al massimo può essere di un
miliardesimo di milionesimo di millimetro (0,000000000000001 mm) e per misurarlo
si è pensato di osservare come cambia l’interferenza tra i fasci laser, ossia l’alternanza
tra le righe chiare e scure che osservi sullo schermo.
10. GRAFICA DI APPROFONDIMENTO: (cubo 4.4)
5. POSTER
DAVANTI
La forza gravitazionale
La forza gravitazionale è la forza a noi più familiare: spiega la caduta di una mela,
l’orbita della Luna intorno alla Terra e quella della Terra intorno al Sole, la struttura
delle galassie e dell’intero Universo. Paradossalmente, però, essendo estremamente
debole (ben 1040 volte più debole della forza elettromagnetica) e quindi molto difficile
da studiare in laboratorio, delle quattro forze la gravitazionale è quella che ad oggi
conosciamo di meno, almeno a livello microscopico!
La forza gravitazionale si esercita fra tutti i corpi come un’attrazione reciproca dovuta
alla loro massa. Descrivere la gravitazione a distanze piccole, come le dimensioni del
nucleo atomico, con un linguaggio simile a quello usato dalle teorie quantistiche per
le altre forze, è uno degli obiettivi della Fisica Moderna.
Se fosse possibile inquadrare la gravità in una teoria quantistica, la massa di un corpo
rappresenterebbe la sua “carica” e anche la forza gravitazionale verrebbe attribuita
allo scambio di una particella mediatrice: il gravitone. Tale particella porterebbe con
sé un messaggio destinato ai corpi dotati di massa, una sorta di invito ad attrarsi
vicendevolmente. Tuttavia fino ad oggi non è ancora stato possibile verificare
direttamente l’esistenza del gravitone attraverso gli esperimenti.
La forza di gravità secondo Einstein non è altro che un effetto della deformazione
spaziotemporale. Ogni corpo celeste può essere paragonato a una pallina appoggiata
su un lenzuolo. Maggiore è la sua massa, maggiore è la deformazione che essa
provoca nello spazio circostante.
RETRO
Virgo
Due lunghi tunnel, di tre chilometri ciascuno, si allargano come un gigantesco
compasso nella campagna di Pisa. Mantenuti sotto alto vuoto, dentro di essi corrono
fasci laser che rimbalzano contro specchi sospesi su pendoli perfettamente allineati, e
dotati di una superficie talmente levigata che le eventuali irregolarità hanno
dimensioni non maggiori del miliardesimo di metro!
Se il fascio laser, nel suo lungo percorso fatto di rimbalzi e ritorni, dovesse subire una
variazione di lunghezza (che i fisici prevedono possa essere un miliardo di volte più
piccola del diametro di un atomo!), allora significherebbe che il tutto è stato
attraversato dalle perturbazioni dello spaziotempo previste dalla teoria della Relatività
Generale di Einstein, ma mai osservate direttamente fino ad oggi: le onde
gravitazionali.
L’esperimento che va a caccia di onde gravitazionali si chiama Virgo ed è stato
costruito da una collaborazione tra l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) e il
francese Centre National de la Recherche Scientifique (Cnrs). Il motivo di un
apparato così preciso e delicato sta nel fatto che la forza gravitazionale è la più debole
dell’Universo e vedere i suoi effetti sul “tessuto” dello spaziotempo è quindi
estremamente difficile: anche se sono prodotte da violenti cataclismi cosmici, come
l’esplosione di stelle di grande massa o lo scontro di buchi neri, le onde gravitazionali
sono perturbazioni dello spaziotempo davvero piccolissime!
Infografica di Virgo
Foto di virgo
Didascalia della foto: Uno degli specchi dell’interferometro Virgo.
FINALE (colore cubo: blu scuro)
Cubo finale: S
SCHEDA DI APPROFONDIMENTO FINALE: (cubo finale)
La Teoria del Tutto
Per conoscere, controllare e sfruttare le forze fondamentali della Natura i fisici hanno
sviluppato nel corso della storia linguaggi matematici sempre più sofisticati e teorie
sempre più complete sulle interazioni tra i corpi. La teoria della gravità di Newton, ad
esempio, assimila la forza che provoca il moto dei pianeti a quella che lega i nostri
corpi al suolo o fa cadere gli oggetti a terra. Fenomeni apparentemente diversi sono
spesso descritti da una stessa e unica equazione che ne prevede l’evoluzione.
È così che alla fine dell’800 James Clerk Maxwell elabora una teoria unica per
l’elettricità e il magnetismo, interpretati da quel momento come diverse
manifestazioni di un unico fenomeno, l’elettromagnetismo. In seguito, sono stati
aggiunti altri tasselli fondamentali alla nostra interpretazione del mondo, in
particolare dell’infinitamente piccolo, l’atomo e il nucleo, o dell’infinitamente grande,
gli astri, le galassie e l’intero Universo. Nell’arco di poche decine di anni la nostra
visione di quanto ci circonda è stata così completamente rivoluzionata. La gravità di
Newton è divenuta una valida approssimazione di una teoria molto più generale, la
Relatività Generale, che descrive l’attrazione tra i corpi celesti, ma anche il moto
delle galassie e l’evoluzione dell’Universo. Contemporaneamente l’uomo è stato in
grado di conoscere e descrivere sempre più il mondo atomico e subatomico, nei quali
non solo si manifestano forze mai osservate prima, ma in cui il moto e le interazioni
obbediscono alla meccanica quantistica, con leggi profondamente differenti da
quelle a cui siamo abituati.
Da sempre il sogno dei fisici è stato di comprendere i diversi fenomeni e aspetti del
mondo e dell’Universo in un’unica teoria che descriva la fisica, dall’atomo alle
galassie, in modo coerente e senza salti. Una Teoria del Tutto. In cui, le diverse
forze si possano spiegare come forme diverse di un’unica interazione o principio
universale. Non si tratta semplicemente di un progetto visionario, ma di qualcosa che,
se è vero, si deve dimostrare con il rigore della matematica e l’evidenza degli
esperimenti. È in questo senso che l’interazione elettromagnetica e quella debole sono
state “unificate”, ossia interpretate come manifestazioni diverse di una stessa forza
(elettrodebole). E altre teorie includono, oltre a esse, anche l’interazione forte.
Sembra invece molto difficile descrivere con lo stesso linguaggio matematico anche
la forza gravitazionale. Proprio alla ricerca di una visione unitaria delle quattro
interazioni fondamentali, è stata elaborata la teoria delle stringhe che prevede che lo
spazio abbia dimensioni nascoste ai nostri sensi, oltre alle tre a cui siamo abituati, e
descrive le particelle come piccolissime stringhe che vibrano negli spazi
multidimensionali. Per verificare la validità di queste teorie, però, dovremmo portare
la materia a energie elevatissime, analoghe a quelle dei primi istanti dell’Universo e
impossibili da raggiungere persino negli attuali supertecnologici acceleratori di
particelle! Non è escluso però che in futuro i fisici possano sviluppare teorie
verificabili con esperimenti a energie più accessibili oppure attraverso l’osservazione
diretta dell’Universo – la ricerca va avanti!
6. POSTER
DAVANTI
La Teoria del Tutto
I fisici oggi sperano di scoprire che le quattro forze fondamentali (elettromagnetica,
forte, debole e gravitazionale) non sono altro che la manifestazione di un’unica forza
universale. Una sorta di “superforza”, capace di cambiare aspetto di volta in volta. La
storia della Fisica insegna che ciò, effettivamente, è possibile.
La prima grande sintesi si deve a Newton, che nel Seicento riuscì a unificare la forza
di gravità celeste e quella terrestre. Analogamente, nell’Ottocento Maxwell propose
una teoria che unificava l’elettricità e il magnetismo, come aspetti differenti di una
sola forza: la forza elettromagnetica.
Negli anni Sessanta e Settanta del Novecento, poi, le forze elettromagnetica e debole
furono inquadrate con successo nella teoria elettrodebole. In certe condizioni di
altissima energia si è inoltre ipotizzata un’ulteriore unificazione: quella
dell’interazione forte con la forza elettrodebole, come sostenuto dalle cosiddette
teorie di grande unificazione (Gut, Grand Unification Theory).
Questa sintesi però non comprende la forza che da più lungo tempo conosciamo: la
gravità! Cercando questa unificazione, i fisici hanno dovuto accettare l’idea che lo
spazio abbia più delle tre dimensioni a cui siamo abituati, e anche più delle quattro
dimensioni dello spaziotempo: sono arrivati a ipotizzare che ve ne siano 10, anzi,
addirittura 11 (e forse anche di più)! Ed ecco la teoria delle stringhe, che oggi è la
teoria di unificazione di tutte le forze che gode di maggior credito tra i fisici, anche se
è ancora da verificare sperimentalmente… Per i ricercatori il viaggio, quindi, non
finisce qui!
RETRO
LA NATURA SI FA IN 4
Una mostra dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Presidente dell’Infn: Roberto Petronzio
Ideazione e realizzazione:
Ufficio Comunicazione dell’Infn
Romeo Bassoli
Eleonora Cossi
Vincenzo Napolano
Catia Peduto
Francesca Scianitti
Antonella Varaschin
Comitato Scientifico:
Gianluca Alimonti
Catalina Curceanu
Giovanni Mazzitelli
Marco Monteno
Enrico Scomparin
Hanno collaborato alla realizzazione:
Per le esposizioni interattive e l’allestimento: 21Lab
Per la grafica: Massimo Ciafrei e Francesca Cuicchio, Internosei Design
Per la realizzazione delle esposizioni interattive:
Sezione Infn di Torino (acceleratore”, “coesore”, “tubo delle correnti”)
Sezione Infn di Pisa e Consorzio Ego (“Virgo”)