In questa rubrica presenteremo, di volta in volta, i tanti esperimenti su cui i ricercatori dell'INFN sono impegnati.
Si inizia con LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics).
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percorso particelle Il percorso “Le particelle subatomiche” ci guida alla scoperta dei mattoni fondamentali (cioè privi di una struttura interna) che costituiscono la materia. Il concetto di particelle elementari nella storia della fisica si è evoluto progressivamente durante i secoli. Partendo dalle concezioni filosofiche degli antichi greci, e passando attraverso la catalogazione degli atomi e la definizione della tavola degli elementi, il percorso ci porta fino ai giorni nostri e ci mostra quali sono le particelle che costituiscono i nuclei atomici.

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percorso neutrino

Questo è uno dei quattro percorsi che la Redazione ha dedicato ad una delle particelle più elusive presenti nel Modello Standard della Fisica delle Particelle elementari.  Il numero dei percorsi dedicati è di per sé indicazione dell’interesse ed attenzione che la comunità dei fisici sta dedicando a questa “trottola fatta di niente”.  Questo percorso in particolare, elaborato da uno dei fisici italiani che hanno dedicato la loro vita alla ricerca sui neutrini, si propone di fornire un’introduzione generale all’argomento.

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percorso antimateriaIl percorso Materia e Antimateria ci porta indietro ai primi istanti dopo il Big Bang spiegando il concetto di asimmetria all’origine del Cosmo. Chi ci svela che esiste un’anti-materia è Paul Dirac, un inglese, genio della fisica del XX secolo che per primo, nel 1928, ha formulato questo fenomeno naturale che tanto incuriosisce e sorprende e che trova la prima conferma sperimentale nel 1932. Il percorso ci conduce poi fino ai nostri giorni entrando nelle fabbriche dell’anti-materia e spiegando come affrontare il suo studio e la violazione della prevista simmetria all’origine dell’Universo.

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percorso universo dimensioniIl percorso “L’Universo a molte dimensioni” entra nell’intrigante possibilità che il mondo che ci circonda non sia composto da 4 dimensioni (spazio-tempo), ma sia stato creato con molte più dimensioni. Che il nostro Universo possa avere più di tre dimensioni spaziali ci appare intuitivamente contraria alla nostra esperienza, ma le prime discussioni risalgono addirittura ad Aristotele. La fisica moderna, con la teoria delle stringhe, ci spiegano quante sono, perché non ci accorgiamo della loro presenza e di tutte le conseguenze che portano, dalla quantizzazione del campo gravitazionale all’unificazione delle forze.

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percorso raggiIl percorso "Universo misterioso: i raggi cosmici" presenta una breve introduzione un fenomeno che in modo invisibile ci mette in costante in relazione con l’universo che ci circonda: quello dei raggi cosmici. Queste particelle provenienti dallo spazio hanno rappresentato fino all’introduzione degli acceleratori di particelle nel dopoguerra, l’unica sorgente di particelle ad alta energia ed hanno dato di fatto origine alla fisica delle particelle stessa.

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percorso vitaextraIl percorso "L’Universo misterioso: la vita intelligente" descrive le due possibili opinioni sull’esistenza della vita extraterrestre: c’è, infatti, chi sostiene che, considerando i miliardi di miliardi di pianeti simili alla terra, è molto probabile che qualcuno sia abitato da forme intelligenti. Altri sostengono invece che l’assenza di segnali di vita extraterrestre sia la prova della sua assenza. Alcuni programmi internazionali (Seti, Darwin, Origin) scandagliando il cielo alla ricerca di segnali extraterrestri cercano di rispondere a questa domanda.

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percorso universo1Il percorso “L’universo misterioso: il peso dell’universo” ci guida alla scoperta del destino dell’universo: l’universo continuerà’ la sua espansione all’infinito o finirà con un big-crunch ripercorrendo al contrario la sua evoluzione? Le osservazioni sperimentali dell’ultimo secolo indicano che la massa visibile costituisce solo il 4% di quel che c’è nell’universo. Il resto è dovuto a materia oscura, invisibile ai nostri telescopi, e energia oscura che accelera l’espansione dell’universo. Comprendere materia ed energia oscure sarà fondamentale per sapere quale sarà il destino dell’universo.

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percorso buco neroIl percorso “Chi ha paura dei buchi neri?” ci porta alla scoperta dei buchi neri, forse i più affascinanti corpi nell’Universo, regioni dello spazio nelle quali l'interazione gravitazionale è così intensa che qualsiasi cosa giunga nelle sue vicinanze viene attratta e catturata e, una volta all’interno del suo confine, non può più allontanarsene. Impareremo come si formano i buchi neri (i buchi neri di grandi dimensioni, stato finale di una stella, o i mini-buchi neri previsti da Hawking) e come la teoria della relatività generale “consenta” loro di esistere.

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percorso materiaoscura2Il percorso "Che cosa è la materia oscura" cerca di rispondere a uno dei grandi quesiti della fisica moderna. Sappiamo che il nostro Universo è prevalentemente fatto di materia diversa da quella del nostro mondo (composto prevalentemente da protoni e neutroni) ma non abbiamo ancora capito esattamente la sua natura. La teoria più accreditata prevede l’esistenza di particelle molto più pesanti del protone e del neutrone (WIMPS) che interagiscono debolmente con la materia ordinaria. Tuttavia l’assenza di chiare conferme sperimentali impedisce di  considerare chiusa la questione.

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percorso sedna

Il percorso “Sedna e la gravità” ci spiega come la gravità sia stata responsabile della condensazione della materia dell’universo fino alla formazione delle galassie e alla nascita delle stelle e dei pianeti. “Sedna” a cui si fa riferimento nel titolo è il lontanissimo e freddo corpo celeste, osservato per la prima volta nel 2003, che potrebbe essere considerato il decimo pianeta del Sistema Solare, più piccolo di Nettuno e tre volte più lontano. 

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percorso origineIl percorso “Le origini della Fisica delle Particelle” racconta gli esperimenti fondamentali che hanno portato dalla scoperta del nucleo atomico, a quella dei costituenti nucleari, quali protoni e neutroni, fino alla scoperta dei mattoncini fondamentali del nucleo atomico, ovvero i QUARKS. Tutte queste scoperte hanno dato origine alla nascita del MODELLO STANDARD della fisica delle particelle. E se ci fosse qualcosa di più piccolo dei quarks? Alla fine del percorso viene presentata brevemente anche questa nuova frontiera della fisica, con una breve introduzione alla teoria delle stringhe.

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percorso ghiaccio

Il percorso “Archivi di ghiaccio” racconta come, analizzando i contenuti chimici del ghiaccio nel corso di perforazioni antartiche, gli scienziati sono riusciti a ricostruire le oscillazioni del clima tra fasi calde e fredde fino a più di 400.000 anni fa. Durante la sua formazione, infatti, il ghiaccio intrappola polveri, gas e sostanze chimiche presenti in atmosfera. Uno dei problemi è quello di assegnare l’età giusta ad ogni strato di ghiaccio. Tale datazione viene effettuata mediante misure di radioattività naturale, in cui vengono raccolte informazioni sui cambiamenti climatici nelle varie epoche, fino a quella attuale.

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percorso modelloIl percorso “Il modello standard” costituisce un vero e proprio vademecum per capire come sia fatta la materia, quali siano i “mattoncini” fondamentali che la compongono e come questi costituenti interagiscano tra loro. Nel modello standard i fisici racchiudono la conoscenza che hanno elaborato studiando le particelle e le 4 forze fondamentali. Il modello standard non riesce tuttavia a spiegare tutto ciò che osserviamo e sono proprio gli interrogativi ancora aperti a guidare la ricerca nella fisica delle particelle, per comprendere fino in fondo l’universo che ci circonda. 

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percorso simmetrie

Il percorso “Simmetrie” introduce le “tre simmetrie discrete” fondamentali nella fisica delle particelle. In fisica il concetto di simmetria identifica la proprietà dei fenomeni fisici di ripetersi identici nel tempo e nello spazio. Nella fisica delle particelle queste due simmetrie sono l’Inversione Spaziale (P) e quella temporale (T). Insieme alla coniugazione di carica (C), sono alla base dell’asimmetria tra materia e antimateria (violazione di CP) e dell’uguaglianza delle masse e delle vite medie di una qualunque particella e della sua corrispondente antiparticella (teorema CPT).

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percorso microscopi

Nel percorso “Microscopi dell'invisibile” viene spiegato come fanno i fisici a “vedere” quello che nessun microscopio al mondo riesce a misurare, ovvero le particelle elementari. Si parte dalle prime osservazioni dirette dei raggi cosmici che come una misteriosa pioggia proveniente dallo spazio investono la terra e furono la prima fonte di particelle elementari ad essere studiata. Vengono poi introdotti gli acceleratori di particelle, come LHC, che sono sostanzialmente fabbriche di particelle, i cui rivelatori giganteschi (e.g. ATLAS) “fotografano” il passaggio di particelle note o ancora da scoprire.

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percorso assemblaggioIl percorso “Com’è assemblato l’universo” è un viaggio nel mondo dell’infinitamente piccolo. Illustra la conoscenza attuale che i fisici hanno del mondo che ci circonda: le particelle elementari, ovvero i mattoncini fondamentali che costituiscono l’universo. Un breve excursus sugli acceleratori di particelle, gli strumenti usati per indagare i costituenti della materia e le forze che li governano. Infine, gli interrogativi ai quali si sta tuttora cercando di dare una risposta per comprendere a fondo come sia organizzato il nostro universo.

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percorso complessitaIl percorso "Un viaggio nella complessità" ci presenta il concetto di sistema complesso attraverso l’analisi di una serie di esempi dal pendolo semplice ai mercati finanziari, a internet e alla fisica delle particelle elementari, passando attraverso il caos, i frattali e i processi stocastici. Questi esempi sono affiancati da spiegazioni relative alla matematica coinvolta in questi sistemi, con uno sguardo alle applicazioni al vivere quotidiano.

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percorso luceIl percorso Uno sguardo alla luce è dedicato all’esplorazione delle caratteristiche della luce partendo dal concetto di onda¬. Vengono presentati i principali fenomeni legati all’ottica geometrica con esempi e riferimenti al quotidiano, con un’ampia sezione dedicata allo studio dell’arcobaleno. L’ultima parte è dedicata allo spettro delle onde elettromagnetiche e al legame che esiste tra la luce e la teoria della Relatività.

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Questo è uno dei quattro percorsi che la Redazione ha dedicato ad una delle particelle più elusive presenti nel Modello Standard della Fisica delle Particelle elementari.  Il numero dei percorsi dedicati è di per sé indicazione dell’interesse ed attenzione che la comunità dei fisici sta dedicando a questa “trottola fatta di nulla”. Questo percorso in particolare, dopo un’introduzione generale, presenta gli attuali esperimenti dedicati ai neutrini, ivi incluso l’esperimento OPERA presso il Laboratori del Gran Sasso.

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Il percorso "Fisici d’Italia e del mondo" descrive l’attività scientifica di quattro grandi fisici contemporanei: Luciano Maiani, Franco Pacini, Giorgio Parisi e Antonino Zichichi. Oltre ad essere stati protagonisti della fisica italiana con le loro idee, l’elemento che li accomuna è una forte capacità visionaria nell’immaginare e partecipare alla realizzazione degli strumenti futuri che sarebbero serviti a realizzare importanti scoperte:  il rivelatore Virgo, l'acceleratore LHC al CERN, il centro studi Ettore Maiorana di Erice.

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quadrato percorso medicinaIl percorso "Particelle fantastiche e come utilizzarle" è un percorso sulle applicazioni della fisica nucleare alla medicina in particolare per la cura oncologica e la diagnosi.

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In questo percorso viene mostrato come si possono utilizzare gli acceleratori costruiti per la ricerca in fisica delle particelle nella terapia oncologica.

Un esempio è l'adroterapia che utilizza particelle cariche pesanti (come i protoni e gli ioni Carbonio) per la cura dei tumori.

Queste particelle, che rilasciano la maggior parte dell’energia sul tumore risparmiando i tessuti sani attraversati, rappresentano una valida alternativa alla radioterapia convenzionale in particolare per i tumori vicino a organi a rischio o particolarmente resistenti alle radiazioni.

Attualmente si stanno svolgendo ricerche anche su altre particelle, come i neutroni, e sul loro possibile utilizzo in campo oncologico.

Un ulteriore impiego degli acceleratori è l'uso per la produzione di radiofarmaci per la diagnosi, come nel caso della PET (Positron Emission Tomography).

 

 

percorso fermiQuesto percorso ci fa conoscere uno dei più grandi scienziati italiani, protagonista della scena internazionale del XX secolo. Dall’adolescenza romana alla formazione del gruppo di via Panisperna si evince il rigore di un uomo che, costretto dal fascismo ad emigrare, parteciperà a progetto Manhattan e getterà le basi della moderna fisica delle particelle. La sua eredità non termina in America, ma viene raccolta da fisici capaci e determinati che faranno nascere l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).

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percorso higgsl percorso Il Bosone di Higgs è dedicato al protagonista di una delle principali scoperte della fisica contemporanea. Viene presentato il Modello Standard delle particelle elementari, lo schema usato dai fisici per interpretare i costituenti fondamentali della materia e le forze che la tengono insieme o ne provocano la disintegrazione e vengono spiegati i concetti di massa, simmetria e unificazione con continui esempi per guidare il lettore.

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percorso materia oscuraIl percorso "Alla ricerca della Materia Oscura" descrive uno dei fenomeni più misteriosi dei nostri tempi al quale ancora non si è riusciti a dare una spiegazione. Diverse osservabili astrofisiche mostrano che il nostro Universo è costituito per la maggior parte da una materia diversa da quella di cui è fatto il nostro mondo (non assorbe ne riflette la luce): la materia oscura. Per analogia con la materia ordinaria, si pensa che anche la materia oscura abbia una natura particellare ma nonostante l’enorme sforzo sperimentale non si e’ ancora riusciti a rivelare le tracce della sua interazione.

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percorso vuotoIn questo percorso si parla del vuoto e di come è cambiata nel tempo la percezione di un concetto così fondamentale in fisica e nella vita di ogni giorno. Aristotele condizionò il pensiero filosofico per circa 2000 anni con il suo concetto di “horror vacui” fino a quando Galilei, Cartesio e Newton introdussero interpretazioni sicuramente più scientifiche. Il vuoto cambia forma e significato nel tempo, fino ad arrivare alla definizione, data dalla meccanica quantistica, che non esiste un vuoto che non contiene assolutamente nulla: ciò viola il principio di indeterminazione.

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neutrini scienzapertutti

Questo è uno dei quattro percorsi che la Redazione ha dedicato ad una delle particelle più elusive presenti nel Modello Standard della Fisica delle Particelle elementari.  Il numero dei percorsi dedicati è di per sé indicazione dell’interesse ed attenzione che la comunità dei fisici sta dedicando a questa “trottola fatta di nulla”. Questo percorso in particolare descrive uno degli esperimenti più importanti dedicati alla fisica dei neutrini: l’esperimento Super-Kamiokande in Giappone.  

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percorso breve storia netrino

"Breve storia del neutrino" è uno dei quattro percorsi che la Redazione ha dedicato ad una delle particelle più elusive presenti nel Modello Standard della Fisica delle Particelle elementari.  Il numero dei percorsi dedicati è di per sé indicazione dell’interesse ed attenzione che la comunità dei fisici sta dedicando a questa “trottola fatta di nulla”. Questo percorso in particolare presenta un breve percorso storico di una ricerca che si protrae con altalenanti successi da oltre 90 anni.

 

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superconduttivitaarancio

Il percorso “Il fenomeno della Superconduttivita’” descrive uno stato della materia, chiamato appunto superconduttività, con eccezionali proprietà elettriche e magnetiche. è un fenomeno che accade a bassa temperatura. Quando una sostanza viene raffreddata sotto una temperatura denominata critica si evidenzia questo stato. L’elettricità fluisce nel materiale senza resistenza, in altre parole si può trasportare una “supercorrente” elettrica a qualsiasi distanza senza perdite. Tale fenomeno viene usato, per esempio, nei magneti superconduttori al Large Hadron Collider del CERN.

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percorso meccanica quantistica quadIl percorso "Fisica Quantistica" descrive il bizzarro mondo dei quanti. Alla fine del 1800 la spiegazione di alcuni fenomeni richiese la formulazione di nuove leggi, molto diverse da quelle che descrivono il mondo macroscopico che ci circonda. Infatti a differenza di questo, il mondo dei quanti mostra contemporaneamente caratteristiche tipiche delle onde e delle particelle. Seppure alcuni concetti vadano nettamente contro il senso comune, l’accuratezza con cui si riescono a descrivere e prevedere i fenomeni quantistici, garantisce la correttezza della formulazione delle leggi che lo governano.

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quadrato strutture cosmicheIl percorso “Strutture cosmiche” parla della distribuzione spaziale della materia nel nostro Universo, che appare disomogenea. Per spiegare come le strutture presenti nell’universo si evolvono, dobbiamo introdurre il concetto di materia oscura e quello ancora più misterioso di energia oscura. Attraverso lo studio della struttura su grande scala dell’Universo si ottengono preziose informazioni sia per la Cosmologia che per la Fisica Fondamentale ed è possible verificare la validità della teoria della Relatività Generale. Questo tema è di grande interesse nella comunità Astrofisica e sarà` oggetto della missione spaziale chiamata “Euclid”.

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relativit semplice quadrato

Il percorso “La relatività Speciale” presenta in termini molto semplici e con degli esempi concreti e delle intuitive rappresentazioni grafiche la teoria della relatività speciale di Albert Einstein, pubblicata nel 1905, che lega le tre grandezze velocità, spazio e tempo. Le conclusioni della relatività Speciale sono la necessaria conseguenza di un’unica evidenza sperimentale: la velocità della luce è sempre la stessa, comunque si muova l’osservatore, cioè la velocità della luce é una velocità assoluta.

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percorso ondeIl percorso "Onde gravitazionali" è dedicato alla presentazione di questi fenomeni fisici predetti da Einstein un secolo fa. Nel percorso vengono evidenziate le caratteristiche delle onde gravitazionali partendo dalle analogie e differenze rispetto alle onde elettromagnetiche. Viene introdotto il contesto teorico in cui vengono inquadrate mettendo in luce il potere della teoria di Einstein e nella sezione finale viene presentato l’esperimento che ha portato alla loro scoperta, fissando una tappa fondamentale nella storia della scienza.

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fisica fotografia

percorso oceanoQIl percorso "Dalla geografia del mare all’oceanografia scientifica" è dedicato a un progetto di oceanografia storica condotto da 23 studenti universitari a bordo della nave Amerigo Vespucci. Gli studenti coinvolti hanno partecipato alla missione dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia mirata allo studio del contributo di scienziati del passato alla geografia del mare e alla valorizzazione di strumenti oceanografici antichi e recenti.

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percorso pubblicazione Il percorso “Un viaggio dalla collisione alla pubblicazione scientifica” costituisce una guida per la comprensione dei passi che portano dalla raccolta dei dati durante un esperimento alla pubblicazione dei risultati scientifici. Parti integranti di una misura e dell’analisi dei dati in fisica sono concetti di elettronica e informatica, presentati nel percorso in modo sequenziale.

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percorso visioni incrociate Nel percorso “Visioni Incrociate” si esplora la visione stereoscopica. Quest'ultima gode ciclicamente di rinnovato interesse presso il grande pubblico, come dimostra la dilagante produzione di film in “3D”. Non si tratta in realtà di una novità, visto che film di questo tipo venivano prodotti in abbondanza anche negli anni ’50.

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percorso plasmaIl percorso ”Il plasma di quark e gluoni: l’Universo in laboratorio" ci porta a conoscere uno stato della materia che in condizioni normali non potremmo osservare. I quark e i gluoni, infatti, nella materia ordinaria esistono soltanto in stati legati a formare le particelle adroniche (mesoni e barioni). Ma alcuni microsecondi dopo il Big Bang erano liberi, in uno stato chiamato plasma di quark e gluoni. Questo plasma puo' essere riprodotto in laboratorio facendo scontrare nuclei accelerati a energie ultra-relativistiche. Questo è proprio quello che avviene all’acceleratore LHC del CERN. 

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Ultima modifica: 28 maggio 2018

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