HISTORY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

EUROPEAN PUPILS MAGAZINE

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Rosario Toscano

Liceo Scientifico “Enrico Boggio Lera” - www.boggiolera.it

Via Vittorio Emanuele 346 – I-95124 Catania, Italy - boggiolera@interbusiness.it

letizia.marchese@tiscalinet.it

AFFASCINANTI RICERCHE

DELLA FISICA CONTEMPORANEA

DALLA FANTASCIENZA

DI VERNE AI GIORNI NOSTRI

All those who are science - addicted have certainly read some books of the great French writer Jules Verne. His style has fostered love for discovery and exploration, challenging nature, which, for every scientist worthy this name, is destined to be overpowered by man’s will.

One century later Jules Verne can be defined a pseudo-scientist, the pioneer of science-fiction which, in the course of time, has become true. Today, in fact, it is possible to go “around of the world in 80 days”, to travel “From the Earth to the Moon” and to sail “20,000 leagues under the sea“.

In the future, a submarine laboratory studying the phenomenon of the neutrinos under the sea level will be realised. This research, initially merely linked to the experimentation in the field of physics, will spin off many applications in several disciplines in many scientific areas. But what are the neutrinos? They are elementary particles of the smallest mass.

The discovery of the neutrinos was made by the scientists Raines and Cowan during an experiment, near a nuclear reactor.

The hypothesis of their existence had been formulated more than a quarter of a century before, by the scientists Wolfgang Pauli (1931), in order to explain some phenomena manifested in the nucleus of the atom, and by Enrico Fermi who, in 1934, accepted Pauli’s

theory and justified the existence of the neutrinos with a proper mathematical theory defining the neutrino an electronically neutral particle. After the Second World War, it was Bruno Pontecorvo who suggested the use of the nuclear reactors as sufficiently intense sources to make the study of the neutrinos possible in a laboratory. The present scenery of the physics of the neutrino evidences the great progress obtained in nearly a century of researches, from the beginning till the present day. However, there are still many mysteries and fascinating questions aroused by these particles. For some years the physicists have carried out their experiments in the depths of the sea and the ice of the South Pole. There is the opportunity to install great apparatuses to some kilometres of depth. The detectors, distributed on distances of a kilometre, will have to identify high energy- neutrinos, originated by cosmic sources, by measuring the light produced by the interactions of the neutrinos with water. Among the study programs which are carried out thanks to various competences, we can also mention “NEMO” (NEutrino Marine Observatory). No other name would be more suitable! This laboratory will probably be set up in Sicily. In fact, a series of oceanographic studies in the Mediterranean are being carried out in order to detect the areas more suitable to accommodate the experiment. But a series of problems has to be solved. First of all it is necessary to build a telescope with the necessary specific mechanical and electronic characteristics. The marine world is completely different from ours and in order to realize whatever apparatus the scientists have to duly consider the submarine depth and soil. As the complexity of the study and the activities of the research connected are to be considered, international collaboration, which is necessary in the case of NEMO, involves several countries in the Mediterranean area.

In conclusion, if physics is the science that studies the natural phenomena in order to give rational explanations to them, usually expressed in mathematical language, in the case of NEMO we can assert that physics is equally based both on experiment and on theory. Today the belief that the NEMO project can be realized in the next decades, is absolutely neither utopia nor science-fiction. The scientific spin-off that such a project will have on many disciplines is not imaginable presently, but it is certainly an avant-garde project that will solve problems in several scientific disciplines.

Neutrinos and Cosmology

In the well- known theory of the Big Bang, it is supposed that the universe appeared without warning and that it was infinitely hot. One of the great mysteries of Cosmology regards the origin of the matter. The physicists know that the matter can be created by energy. In a laboratory, the creation of the matter is always c o m p e n s a t e d b y antimatter. Today the physics of the microscopic world has blended with cosmology in one single discipline. In fact, the new ideas in the physics of high energy are verified more often than ever in a cosmological context and, vice versa, cosmology can be used in order to place ties to the physics of particles.

Neutrinos and Volcanology

The observatory SN-1 (Submarine Network-1) makes the physics of the neutrinos interact with volcanology. SN-1 is already placed in the Ionian sea to a depth of 2105 m less than 25 km east of Catania and with the task to detect seismic and environmental signals. It is

equipped with an i n d e p e n d e n t system of data acquisition which records, on hard disk, messages about seismic events. Presently, the observatory is equipped with a hydro-acoustic communication s y s t e m t h a t interacts with an operator on board of a ship. In a short time it will be connected with a submarine cable, already placed on the marine bottom by INFN, which will enable it to work on electrical power from the shore and it will be able to transmit in real time the data for the survey of the neutrinos of natural origin. Therefore the first permanent submarine observatory in the world will be realised.

Tutti coloro che hanno la passione per la scienza, hanno sicuramente letto qualche libro dello scrittore francese dell’Ottocento Jules Verne. Il suo stile narrativo ha reso a dir poco fervido l’entusiasmo per la scoperta, l’amore per l’esplorazione e la sfida con la natura che, per ogni scienziato degno di questo nome, è destinata a sottomettersi alla volontà dell’uomo.

A distanza di oltre un secolo, Jules Verne si può definire uno scienziato -profeta, pioniere di una fantascienza che nel tempo si è trasformata in realtà. Oggi, infatti, è possibile fare ”Il giro del mondo in 80 giorni”, viaggiare ”Dalla terra alla luna” e arrivare a ”20000 leghe sotto i mari”. A tale proposito, in un futuro prossimo, verrà realizzato un laboratorio sottomarino che studierà il fenomeno dei neutrini sotto il livello del mare. Questo studio, inizialmente legato prettamente alla sperimentazione nel campo della fisica, avrà ricadute in molti settori scientifici con applicazioni pratiche in varie discipline.

Ma che cosa sono i neutrini? Essi sono delle particelle elementari di massa piccolissima.

La scoperta dei neutrini è avvenuta in seguito ad un esperimento, condotto presso un reattore nucleare, dagli scienziati Raines e Cowan. L’ipotesi della loro esistenza era stata formulata più di un quarto di secolo prima, da Wolfgang Pauli (1931) allo scopo di spiegare

alcuni fenomeni manifestatisi nel nucleo dell’atomo, e da Enrico Fermi che, nel 1934, accettò l’ipotesi di Pauli e giustificò l’esistenza dei neutrini con una opportuna teoria matematica che definiva il neutrino particella elettricamente neutra. Dopo la Seconda Guerra Mondiale, fu Bruno Pontecorvo a proporre l’uso dei reattori nucleari come sorgenti sufficientemente intense da rendere possibile lo studio dei neutrini in laboratorio.

L’attuale scenario della fisica del neutrino evidenzia il grande progresso ottenuto in quasi un secolo di ricerche, dal momento della sua nascita fino ad oggi. Tuttavia, sono ancora numerosi i misteri e gli affascinanti interrogativi legati a queste particelle.

Da alcuni anni, i fisici hanno effettuato i loro esperimenti nelle profondità del mare e nei ghiacci del Polo Sud. Si sta verificando la possibilità di installare grandi apparati ad alcuni chilometri di profondità. I rilevatori, distribuiti su distanze dell’ordine di un chilometro, dovranno individuare neutrini ad alta energia originati da sorgenti cosmiche, attraverso la misura della luce prodotta dalle interazioni dei neutrini con l’acqua.

Tra i programmi di studio che sono portati avanti utilizzando competenze interdisciplinari, esiste anche “NEMO” (NEutrino Marine Observatory). Ricordando Verne, come poteva chiamarsi questo progetto se non NEMO? Questo laboratorio probabilmente nascerà in Sicilia. Infatti, si stanno effettuando una serie di studi oceanografici nel Mediterraneo per individuare i siti più adatti ad ospitare l’esperimento. Le problematiche legate alla realizzazione di tale studio, sono molteplici; fra queste vi è la necessità di realizzare strumenti ad altra precisione che presentino le necessarie caratteristiche meccaniche ed elettroniche. Il mondo marino è completamente diverso dal nostro e per realizzare esperienze valide bisogna fare i conti con la profondità e le caratteristiche del sottosuolo marino.

Vista la complessità dello studio e delle attività di ricerca ad esso connesse è necessario condurle nell’ambito di collaborazioni internazionali che, nel caso di NEMO, coinvolgono diversi Paesi del bacino del Mediterraneo.

Inoltre, se la fisica per definizione è la scienza che studia i fenomeni naturali al fine di trovare una spiegazione razionale, espressa di solito col linguaggio matematico, nel caso di NEMO si può affermare che essa si basa in ugual misura sia sull’esperimento che

sulla teoria. Oggi credere che il progetto NEMO si possa realizzare nei prossimi decenni, non è assolutamente utopia né fantascienza. La ricaduta scientifica che tale progetto avrà su tante discipline al momento non è prevedibile, ma è sicuramente all’avanguardia e consentirà di risolvere problemi in vari campi della ricerca scientifica.

Neutrini e Cosmologia

Molti non conoscono la Cosmologia. Essa è la scienza che studia l’universo nella sua globalità, allo scopo di interpretarne la struttura spaziale e la sua evoluzione nel tempo.

Nella teoria del Big Bang - quella attualmente più diffusa - si suppone che l’universo si sia originato all’istante, e che fosse infinitamente caldo. Uno dei grandi misteri della cosmologia riguarda l’origine della materia. I fisici affermano che la materia può essere generata d a l l ’ e n e r g i a . I n laboratorio, la creazione della materia è sempre compensata dall’anti-materia. Oggi la fisica del mondo microscopico si è fusa con la cosmologia in una singola disciplina. Infatti, le nuove idee della fisica dell’alta energia

vengono sempre più spesso verificate in un contesto cosmologico e, viceversa, la cosmologia può essere utilizzata per porre dei vincoli alla fisica delle particelle. Ma per quale motivo è così importante dare la caccia ai neutrini provenienti dallo spazio, in particolare dal sole? Perché lo studio di queste particelle può permetterci di “leggere” all’interno del sole (inaccessibile agli strumenti ottici). Inoltre i neutrini permettono di osservare gli eventi di inimmaginabile potenza che hanno luogo quando si produce un “lampo” di raggi gamma, il più violento fenomeno dell’universo.

Neutrini e Vulcanologia

L’osservatorio SN-1 (Submarine Network-1), concretamente, mette in evidenza le interazioni tra la fisica dei neutrini e la vulcanologia. SN-1 è già stato posto nel mar Ionio a 2105 m di profondità a meno di 25 km ad est di Catania ed ha il compito di rilevare segnali sismici. Esso è dotato di un sistema di acquisizione dati autonomo e registra, su hard disk, messaggi di segnalazione degli eventi sismici. Attualmente, l’osservatorio è dotato di un sistema di comunicazione idroacustica, che interagisce con un operatore a bordo di una nave. Tra non molto esso verrà collegato con un cavo sottomarino, già deposto sul fondo del mare dall’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), che gli consentirà di avere un’alimentazione elettrica da terra e potrà trasmettere in tempo reale i propri dati per la rilevazione di neutrini di origine naturale. Si realizzerà così il primo osservatorio sottomarino permanente al mondo.

Si sostiene che il nostro pianeta sia ormai vecchio e spesso la Scienza cerca nuovi siti nei quali effettuare nuovi esperimenti. L’ambiente marino, con la vastità dei suoi fondali, oggi rappresenta l’ennesima sfida vincente per la ricerca e il progresso della tecnologia.

Concludendo, possiamo affermare che passeranno ancora degli anni, ma esistono sin da adesso tutti i presupposti per scoprire nuove tecniche, che consentiranno ai posteri di trasformare in realtà le ipotesi dei nostri giorni.

Bibliografia

- Franco Foresta Martin, Dall’atomo al Cosmo –
Editoriale Scienza srl - Trieste, 2002

- Carlo Bemporad, KamLAND – I Reattori Nucleari
confermano l’oscillazione dei neutrini solari. Da: “Dai
Quark alle Galassie”, Rivista dell’INFN, n°.13 Feb.
2003 (pag. 4 e 5);

- Fabrizio Murtas (web master), Data Web, www.infn.it -ultimo
aggiornamento: 09/10/2002

Iconografia
- Fabrizio Murtas (web master), Data Web, www.infn.it -ultimo
aggiornamento: 09/10/2002

Bibliography

- Franco Foresta Martin, Dall’atomo al Cosmo – Editoriale
Scienza s.r.l. - Trieste, 2002

- Carlo Bemporad, KamLAND – I Reattori Nucleari
confermano l’oscillazione dei neutrini solari. From: “Dai
Quark alle Galassie”, INFN Magazine, n° 13 Feb. 2003
(pag. 4 e 5);

- Fabrizio Murtas (web master), Data Web, www.infn.it -last
update: 09/10/2002

Iconography

- Fabrizio Murtas (web master), Data Web, www.infn.it -last
update: 09/10/2002

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