VISITA AI Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN
05
01
03
I rivelatori di particelle
L'INFN e i Laboratori Nazionali del Sud
Come si studia il nucleo atomico
02
04
La struttura dell'atomo
Gli acceleratori dei LNS
Dal nucleo atomico all'universo: come la fisica nucleare permette di comprendere la materia, curare malattie, proteggere l'arte e studiare il cosmo
VISITA AI Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN
09
07
Dalle stelle agli elementi chimici
La fisica nella diagnostica medica
08
10
06
La fisica nella cura dei tumori
Neutrini e studio dell'universo
La fisica al servizio dell'arte
Dal nucleo atomico all'universo: come la fisica nucleare permette di comprendere la materia, curare malattie, proteggere l'arte e studiare il cosmo
La fisica nella cura dei tumori
La fisica nucleare offre contributi fondamentali nella cura dei tumori attraverso lo sviluppo di terapie oncologiche ad altissima precisione, nate per distruggere le cellule malate salvaguardando quelle sane. La forma più comune è la radioterapia tradizionale, che impiega raggi X per danneggiare il DNA del tumore; tuttavia, queste radiazioni rilasciano gran parte della loro energia nei tessuti superficiali, colpendo inevitabilmente anche le zone sane prima e dopo la massa tumorale.Per superare questo limite biologico e geometrico è nata l'adroterapia, una tecnica avanzata che utilizza particelle cariche pesanti come protoni e ioni. Il punto di forza di questa tecnologia risiede nel Picco di Bragg: a differenza dei raggi X, queste particelle penetrano nei tessuti perdendo pochissima energia lungo il percorso iniziale, per poi liberarla tutta insieme e improvvisamente alla profondità esatta in cui si trova il tumore. Ciò permette di infliggere un danno distruttivo e irreparabile alle sole cellule malate.Ai Laboratori Nazionali del Sud di Catania, questa tecnologia viene applicata nella sala CATANA, un centro d'eccellenza specializzato nella cura dei tumori oculari. Qui il trattamento viene interamente personalizzato grazie a maschere modellate sulla fisionomia del paziente, che garantiscono una precisione di irraggiamento millimetrica. Nonostante l'evidente superiorità dell'adroterapia, la radioterapia tradizionale a raggi X rimane comunque la scelta standard più diffusa sul territorio: accelerare protoni e ioni richiede infatti infrastrutture imponenti e costose come i ciclotroni, mentre i macchinari a raggi X sono decisamente più compatti, economici e facili da gestire su larga scala.
La fisica nella diagnostica medica
La fisica medica trasforma le scoperte sull'atomo in strumenti diagnostici essenziali, applicando campi magnetici e radiazioni per esplorare l'organismo umano. Tra le tecniche più diffuse, la radiografia e la TAC sfruttano i raggi X e il loro diverso modo di interagire con la materia, una proprietà che consente di distinguere nettamente i tessuti molli dalle strutture ossee. La radiografia offre un'immagine bidimensionale (2D) attraverso un'unica proiezione, mentre la TAC fornisce una ricostruzione tridimensionale (3D) dettagliata grazie a una sorgente radiogena che ruota attorno al paziente.La risonanza magnetica rappresenta invece una tecnologia del tutto non invasiva e priva di effetti collaterali da radiazioni, con una funzione esclusivamente diagnostica e non terapeutica. Questo esame impiega campi magnetici intensi e onde radio per sollecitare gli atomi del corpo, avvalendosi spesso di un farmaco specifico come mezzo di contrasto per studiare con maggiore precisione la zona anatomica interessata.Un principio differente governa la PET (Tomografia a Emissione di Positroni), un'indagine che comporta invece alcuni effetti collaterali poiché prevede la somministrazione di un radiofarmaco, composto da una molecola di zucchero legata a un radionuclide. Il farmaco emette positroni (le antiparticelle dell'elettrone) che, scontrandosi con gli elettroni del corpo, si annichilano a vicenda. Questa distruzione reciproca genera due fotoni gamma che schizzano via in direzioni opposte, a un angolo di 180°. Speciali rivelatori disposti ad anello attorno al paziente catturano queste coppie di fotoni, elaborando un'immagine che indica con precisione dove si concentra il radiofarmaco.
Dalle stelle agli elementi chimici
Il ciclo vitale di una stella inizia all'interno delle nebulose, dove gli atomi semplici si avvicinano a causa dell'attrazione gravitazionale. Più questa nube di gas cresce, più aumenta la sua massa, attirando a sé una quantità sempre maggiore di particelle. Questo collasso comprime i gas al centro, innescando la fusione nucleare, in cui la stella fonde l'idrogeno per trasformarlo in elio, liberando una quantità colossale di calore che contrasta la forza di gravità, mantenendo l'astro in perfetto equilibrio.Con il passare del tempo, la stella inizia a fondere elementi via via più pesanti, producendo carbonio, ossigeno e silicio, fino ad arrivare al ferro. Il ferro rappresenta però un punto di sosta: la sua fusione richiede energia invece di rilasciarla (è una reazione endotermica). Alla stella, quindi, "non conviene" fondere il ferro, poiché questo processo non produce più la spinta necessaria a contrastare la gravità.Quando il combustibile si esaurisce del tutto, l'equilibrio si rompe e la gravità prende il sopravvento, determinando il destino della stella in base alla sua massa: le stelle più piccole diventano nane bianche, quelle più massicce subiscono un collasso catastrofico che può dare origine a un buco nero o culminare in una immane esplosione chiamata supernova.L'esplosione della supernova è l'evento cruciale per la chimica dell'universo. L'energia sprigionata è così immensa che la materia acquista l'energia necessaria per sintetizzare gli elementi più pesanti del ferro, come il piombo. Inoltre, questo evento distrugge la stella e libera nello spazio tutti gli elementi chimici accumulati e creati, i quali andranno a fecondare il cosmo per formare nuovi pianeti e, infine, la vita stessa.
L'INFN e i Laboratori Nazionali del Sud
L'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), fondato nel 1951, è l'ente pubblico italiano dedicato allo studio dei costituenti fondamentali della materia e delle leggi dell'universo. Opera in stretta sinergia con il mondo universitario e con grandi centri internazionali come il CERN di Ginevra. La sua struttura si articola in una fitta rete nazionale composta da venti sezioni universitarie e quattro grandi Laboratori Nazionali: Frascati, specializzato nella fisica degli acceleratori; il Gran Sasso, protetto da chilometri di roccia per studiare in silenzio cosmico neutrini e materia oscura; Legnaro, focalizzato sulla fisica nucleare a basse energie; e i Laboratori Nazionali del Sud (LNS) di Catania, polo scientifico d'eccellenza nel Mediterraneo.Fondati nel 1976, i LNS di Catania concentrano le proprie attività sulla gestione di grandi acceleratori di particelle, come il Tandem e il Ciclotrone Superconduttore, fondamentali per studiare le collisioni nucleari e le reazioni che alimentano le stelle. Il progetto più ambizioso dei laboratori catanesi è KM3NeT, un imponente telescopio sottomarino ancorato a 3500 metri di profondità al largo di Capo Passero, in Sicilia. Questa infrastruttura hi-tech sfrutta l'oscurità del fondale marino per catturare i neutrini provenienti dallo spazio profondo, aprendo nuove finestre sull'esplorazione del cosmo.Presso i laboratori di Catania, la ricerca di base – guidata dalla pura curiosità di comprendere la materia – si traduce costantemente in ricerca applicata con un impatto diretto sulla società e sull'ambiente.
La fisica al servizio dell'arte
La fisica sperimentale applicata si rivela un alleato fondamentale per la tutela del patrimonio culturale grazie a tecniche non invasive come la fluorescenza a raggi X (XRF). Questo metodo si basa sul fatto che ogni atomo possiede un'unica disposizione degli elettroni, una vera e propria "impronta digitale". Bombardando un'opera con i raggi X, si scalzano gli elettroni più vicini al nucleo; il vuoto energetico viene subito colmato dal salto di un elettrone più esterno, che nel processo emette una radiazione di risposta specifica. Misurando questa risposta, i fisici identificano gli elementi chimici presenti senza danneggiare o alterare minimamente l'oggetto.Questa tecnologia permette di analizzare a fondo i materiali e i pigmenti dei reperti archeologici – un esempio pratico è l'analisi ravvicinata del dipinto di uno scrigno egiziano: grazie ai raggi X si è scoperto che gli antichi artigiani utilizzavano il manganese per ottenere il colore nero, il ferro per il rosso e il rame per il blu– e risulta decisiva per svelare modifiche, falsificazioni e opere nascoste. I raggi X riescono infatti a vedere ciò che è invisibile a occhio nudo, mostrando se un artista ha riutilizzato una tela o se un dipinto antico contiene elementi chimici inventati solo in epoca moderna. A Catania, questa eccellenza è rappresentata dal rivelatore mobile LANDIS dei LNS: uno strumento compatto che i ricercatori possono trasportare direttamente nei musei, evitando alle opere d'arte più fragili e preziose i gravissimi rischi legati al trasporto in un laboratorio esterno.
Come si studia il nucleo atomico
Per studiare la struttura invisibile del nucleo atomico, i fisici utilizzano principalmente il metodo delle collisioni tra particelle. Questo processo è paragonabile al tentativo di capire come sia fatto un meccanismo complesso facendolo scontrare ad altissima velocità con un altro oggetto e analizzando poi i frammenti risultanti dall'impatto.Un esperimento di questo tipo richiede l'interazione di tre elementi fondamentali: Sorgenti di particelle: Sono i dispositivi che generano i "proiettili" subatomici (come elettroni, protoni o ioni). Queste particelle vengono poi iniettate negli acceleratori, che sfruttano campi elettrici e magnetici per portarle a energie e velocità prossime a quella della luce. Bersagli: Rappresentano l'obiettivo da colpire e sono costituiti dal materiale di cui si vogliono studiare i nuclei. A seconda dell'esperimento, il bersaglio può essere una lamina metallica sottilissima, un gas racchiuso in una camera o un flusso di liquido posizionato esattamente sulla traiettoria del fascio di particelle. Rivelatori: Sono strumenti altamente tecnologici disposti intorno al punto di collisione. Funzionano come enormi macchine fotografiche digitali in grado di registrare in tempo reale il passaggio dei detriti nucleari. Misurando con precisione la traiettoria, l'energia e la carica elettrica di ogni particella prodotta, i rivelatori permettono ai computer dei fisici di ricostruire l'identità e le proprietà intime del nucleo originario.
Gli acceleratori dei LNS
Il Tandem Van de Graaff è un acceleratore elettrostatico di tipo lineare in funzione ai LNS dal 1983. Si tratta di una struttura imponente, lunga ben 25 metri e dal peso di 120 tonnellate. Il suo nome deriva dal particolare processo a due stadi ("a doppia accelerazione") con cui spinge gli ioni. Sfruttando una grandissima differenza di potenziale elettrico fino a 15 milioni di Volt (15 MV), la macchina attrae inizialmente gli ioni negativi generati dalla sorgente verso il centro. Qui è posizionato uno stripper (un sottile foglio di carbonio) che strappa loro gli elettroni, trasformandoli in ioni positivi. Trovandosi improvvisamente con carica opposta, le particelle vengono violentemente respinte verso l'uscita, raddoppiando l'energia ricevuta. Questa macchina viene impiegata per lo studio della fisica nucleare e dell'astrofisica nucleare: a queste energie controllate, l'impatto fa sì che i due nuclei si fondano tra loro, espellendo alcune particelle nel processo.Il Ciclotrone Superconduttore (CS) è invece un acceleratore di tipo circolare, fiore all'occhiello tecnologico dei laboratori dal 1994. Questa macchina sfrutta la combinazione di una differenza di potenziale, campi elettrici a radiofrequenza e potenti campi magnetici statici per costringere le particelle a muoversi lungo una traiettoria a spirale. Ogni volta che completano un giro, i campi elettrici forniscono una nuova spinta, permettendo di raggiungere un'accelerazione e un'energia decisamente maggiori rispetto al Tandem. Il CS viene utilizzato sia per la fisica nucleare sia per la fisica applicata. Proprio a causa dell'altissima energia impressa alle particelle, l'impatto con il bersaglio è così violento che i due nuclei coinvolti nella collisione si distruggono a vicenda, permettendo di studiare i frammenti risultanti.
I rivelatori di particelle
I rivelatori di particelle sono gli "occhi" tecnologici dei fisici, strumenti progettati per tradurre il passaggio delle particelle subatomiche – altrimenti invisibili – in dati digitali misurabili. Questo processo avviene quando una particella attraversa il materiale sensibile del dispositivo, interagendo con i suoi atomi: l'energia rilasciata nell'impatto strappa elettroni (ionizzazione) o genera piccoli lampi di luce (scintillazione). Poiché questi segnali sono infinitesimali, il rivelatore li amplifica e li converte in impulsi elettrici, che vengono poi trasformati in bit dai computer per calcolare con precisione millimetrica l'energia, la traiettoria e la carica della particella originaria. In base al loro funzionamento, si dividono in due grandi categorie: i rivelatori attivi, che richiedono energia elettrica e registrano gli eventi in tempo reale inviando subito i dati ai software, e i rivelatori passivi, che non necessitano di alimentazione e imprimono le tracce in modo permanente nella propria struttura chimica o fisica, richiedendo una successiva analisi in laboratorio. L'esistenza stessa di questi strumenti è vitale per la ricerca scientifica, poiché permette di verificare le teorie della fisica fondamentale isolando eventi rarissimi tra miliardi di collisioni. Inoltre, le tecnologie nate per i rivelatori hanno un impatto enorme sulla società, specialmente in medicina, dove hanno permesso la nascita di strumenti diagnostici salvavita come la PET e la TAC.
Neutrini e studio dell'universo
L'astronomia moderna si sta spingendo oltre la semplice osservazione della luce grazie all'astronomia multimessaggera, un approccio che studia il cosmo combinando diversi segnali: onde elettromagnetiche (come le onde radio che hanno rivelato il buco nero al centro della galassia), onde gravitazionali e particelle. Tra queste, i neutrini sono messaggeri preziosissimi. Battezzati storicamente in Italia nell'alveo degli studi di Fermi e Majorana, sono particelle prive di carica elettrica e con massa infinitesimale. Poiché risentono solo dell'interazione nucleare debole, non vengono deviati né assorbiti dalla materia: viaggiano sempre dritto attraversando intere galassie intatte, fornendo informazioni purissime sul cataclisma cosmico in cui nascono.Proprio perché non interagiscono quasi mai, intercettarli è difficilissimo e richiede un chilometro cubo di materiale sensibile. Da qui nasce KM3NeT, un immenso telescopio sottomarino situato a 3.500 metri di profondità a 100 km da Portopalo, in Sicilia (con un secondo sito in Francia). Lo strumento sfrutta l'acqua del mare: quando un neutrino interagisce raramente con essa, genera una particella chiamata muone. Questo muone si muove nell'acqua a una velocità superiore a quella della luce nel mezzo idrico, producendo la luce Cherenkov, un debole lampo bluastro a forma di cono. I rivelatori sottomarini captano questa luce, permettendo ai computer di calcolare la traiettoria originaria del neutrino. Il progetto, pienamente attivo, ha raggiunto un traguardo storico proprio di recente nei fondali siciliani, dove è stato registrato il neutrino più energetico mai rilevato al mondo, aprendo una nuova frontiera nella comprensione dell'universo.
La struttura dell'atomo
Ogni frammento di materia è composto da atomi, la cui struttura può essere immaginata come un minuscolo sistema planetario. Al centro dell'atomo si trova il nucleo atomico, una regione incredibilmente densa che concentra quasi la totalità della massa atomica. Il nucleo è composto da due tipi di particelle, chiamate nucleoni: i protoni, dotati di carica elettrica positiva, e i neutroni, che sono elettricamente neutri. Attorno a questo nucleo orbita una nube di elettroni, particelle leggerissime e con carica negativa, che si muovono a grande velocità e bilanciano la carica positiva dei protoni, rendendo l'atomo stabile e neutro.Le dimensioni del nucleo sono nell'ordine di 10−15 m (un femtometro), il che lo rende circa centomila volte più piccolo dell'atomo nel suo complesso. Per governare la materia all'interno dell'atomo e nell'intero universo, la natura si serve di quattro forze fondamentali. La prima è la forza nucleare forte, la più potente, che agisce come un potentissimo "collante" a brevissimo raggio, capace di tenere uniti i protoni e i neutroni nel nucleo vincendo la naturale repulsione elettrica tra cariche positive. La seconda è la forza elettromagnetica, che agisce sulle particelle dotate di carica: è la forza che lega gli elettroni negativi al nucleo positivo. Troviamo poi la forza nucleare debole, responsabile dei processi di decadimento radioattivo e fondamentale per innescare le reazioni di fusione nucleare. Infine, la forza gravitazionale è l'attrazione che agisce tra tutti i corpi dotati di massa; pur essendo la più debole di tutte nel mondo microscopico dell'atomo, diventa la forza dominante su scala macroscopica, governando i movimenti di pianeti, stelle e galassie.
Visita ai Laboratori Nazionali del Sud dell'INFN
Giulia Tornambe
Created on May 31, 2026
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VISITA AI Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN
05
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I rivelatori di particelle
L'INFN e i Laboratori Nazionali del Sud
Come si studia il nucleo atomico
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La struttura dell'atomo
Gli acceleratori dei LNS
Dal nucleo atomico all'universo: come la fisica nucleare permette di comprendere la materia, curare malattie, proteggere l'arte e studiare il cosmo
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09
07
Dalle stelle agli elementi chimici
La fisica nella diagnostica medica
08
10
06
La fisica nella cura dei tumori
Neutrini e studio dell'universo
La fisica al servizio dell'arte
Dal nucleo atomico all'universo: come la fisica nucleare permette di comprendere la materia, curare malattie, proteggere l'arte e studiare il cosmo
La fisica nella cura dei tumori
La fisica nucleare offre contributi fondamentali nella cura dei tumori attraverso lo sviluppo di terapie oncologiche ad altissima precisione, nate per distruggere le cellule malate salvaguardando quelle sane. La forma più comune è la radioterapia tradizionale, che impiega raggi X per danneggiare il DNA del tumore; tuttavia, queste radiazioni rilasciano gran parte della loro energia nei tessuti superficiali, colpendo inevitabilmente anche le zone sane prima e dopo la massa tumorale.Per superare questo limite biologico e geometrico è nata l'adroterapia, una tecnica avanzata che utilizza particelle cariche pesanti come protoni e ioni. Il punto di forza di questa tecnologia risiede nel Picco di Bragg: a differenza dei raggi X, queste particelle penetrano nei tessuti perdendo pochissima energia lungo il percorso iniziale, per poi liberarla tutta insieme e improvvisamente alla profondità esatta in cui si trova il tumore. Ciò permette di infliggere un danno distruttivo e irreparabile alle sole cellule malate.Ai Laboratori Nazionali del Sud di Catania, questa tecnologia viene applicata nella sala CATANA, un centro d'eccellenza specializzato nella cura dei tumori oculari. Qui il trattamento viene interamente personalizzato grazie a maschere modellate sulla fisionomia del paziente, che garantiscono una precisione di irraggiamento millimetrica. Nonostante l'evidente superiorità dell'adroterapia, la radioterapia tradizionale a raggi X rimane comunque la scelta standard più diffusa sul territorio: accelerare protoni e ioni richiede infatti infrastrutture imponenti e costose come i ciclotroni, mentre i macchinari a raggi X sono decisamente più compatti, economici e facili da gestire su larga scala.
La fisica nella diagnostica medica
La fisica medica trasforma le scoperte sull'atomo in strumenti diagnostici essenziali, applicando campi magnetici e radiazioni per esplorare l'organismo umano. Tra le tecniche più diffuse, la radiografia e la TAC sfruttano i raggi X e il loro diverso modo di interagire con la materia, una proprietà che consente di distinguere nettamente i tessuti molli dalle strutture ossee. La radiografia offre un'immagine bidimensionale (2D) attraverso un'unica proiezione, mentre la TAC fornisce una ricostruzione tridimensionale (3D) dettagliata grazie a una sorgente radiogena che ruota attorno al paziente.La risonanza magnetica rappresenta invece una tecnologia del tutto non invasiva e priva di effetti collaterali da radiazioni, con una funzione esclusivamente diagnostica e non terapeutica. Questo esame impiega campi magnetici intensi e onde radio per sollecitare gli atomi del corpo, avvalendosi spesso di un farmaco specifico come mezzo di contrasto per studiare con maggiore precisione la zona anatomica interessata.Un principio differente governa la PET (Tomografia a Emissione di Positroni), un'indagine che comporta invece alcuni effetti collaterali poiché prevede la somministrazione di un radiofarmaco, composto da una molecola di zucchero legata a un radionuclide. Il farmaco emette positroni (le antiparticelle dell'elettrone) che, scontrandosi con gli elettroni del corpo, si annichilano a vicenda. Questa distruzione reciproca genera due fotoni gamma che schizzano via in direzioni opposte, a un angolo di 180°. Speciali rivelatori disposti ad anello attorno al paziente catturano queste coppie di fotoni, elaborando un'immagine che indica con precisione dove si concentra il radiofarmaco.
Dalle stelle agli elementi chimici
Il ciclo vitale di una stella inizia all'interno delle nebulose, dove gli atomi semplici si avvicinano a causa dell'attrazione gravitazionale. Più questa nube di gas cresce, più aumenta la sua massa, attirando a sé una quantità sempre maggiore di particelle. Questo collasso comprime i gas al centro, innescando la fusione nucleare, in cui la stella fonde l'idrogeno per trasformarlo in elio, liberando una quantità colossale di calore che contrasta la forza di gravità, mantenendo l'astro in perfetto equilibrio.Con il passare del tempo, la stella inizia a fondere elementi via via più pesanti, producendo carbonio, ossigeno e silicio, fino ad arrivare al ferro. Il ferro rappresenta però un punto di sosta: la sua fusione richiede energia invece di rilasciarla (è una reazione endotermica). Alla stella, quindi, "non conviene" fondere il ferro, poiché questo processo non produce più la spinta necessaria a contrastare la gravità.Quando il combustibile si esaurisce del tutto, l'equilibrio si rompe e la gravità prende il sopravvento, determinando il destino della stella in base alla sua massa: le stelle più piccole diventano nane bianche, quelle più massicce subiscono un collasso catastrofico che può dare origine a un buco nero o culminare in una immane esplosione chiamata supernova.L'esplosione della supernova è l'evento cruciale per la chimica dell'universo. L'energia sprigionata è così immensa che la materia acquista l'energia necessaria per sintetizzare gli elementi più pesanti del ferro, come il piombo. Inoltre, questo evento distrugge la stella e libera nello spazio tutti gli elementi chimici accumulati e creati, i quali andranno a fecondare il cosmo per formare nuovi pianeti e, infine, la vita stessa.
L'INFN e i Laboratori Nazionali del Sud
L'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), fondato nel 1951, è l'ente pubblico italiano dedicato allo studio dei costituenti fondamentali della materia e delle leggi dell'universo. Opera in stretta sinergia con il mondo universitario e con grandi centri internazionali come il CERN di Ginevra. La sua struttura si articola in una fitta rete nazionale composta da venti sezioni universitarie e quattro grandi Laboratori Nazionali: Frascati, specializzato nella fisica degli acceleratori; il Gran Sasso, protetto da chilometri di roccia per studiare in silenzio cosmico neutrini e materia oscura; Legnaro, focalizzato sulla fisica nucleare a basse energie; e i Laboratori Nazionali del Sud (LNS) di Catania, polo scientifico d'eccellenza nel Mediterraneo.Fondati nel 1976, i LNS di Catania concentrano le proprie attività sulla gestione di grandi acceleratori di particelle, come il Tandem e il Ciclotrone Superconduttore, fondamentali per studiare le collisioni nucleari e le reazioni che alimentano le stelle. Il progetto più ambizioso dei laboratori catanesi è KM3NeT, un imponente telescopio sottomarino ancorato a 3500 metri di profondità al largo di Capo Passero, in Sicilia. Questa infrastruttura hi-tech sfrutta l'oscurità del fondale marino per catturare i neutrini provenienti dallo spazio profondo, aprendo nuove finestre sull'esplorazione del cosmo.Presso i laboratori di Catania, la ricerca di base – guidata dalla pura curiosità di comprendere la materia – si traduce costantemente in ricerca applicata con un impatto diretto sulla società e sull'ambiente.
La fisica al servizio dell'arte
La fisica sperimentale applicata si rivela un alleato fondamentale per la tutela del patrimonio culturale grazie a tecniche non invasive come la fluorescenza a raggi X (XRF). Questo metodo si basa sul fatto che ogni atomo possiede un'unica disposizione degli elettroni, una vera e propria "impronta digitale". Bombardando un'opera con i raggi X, si scalzano gli elettroni più vicini al nucleo; il vuoto energetico viene subito colmato dal salto di un elettrone più esterno, che nel processo emette una radiazione di risposta specifica. Misurando questa risposta, i fisici identificano gli elementi chimici presenti senza danneggiare o alterare minimamente l'oggetto.Questa tecnologia permette di analizzare a fondo i materiali e i pigmenti dei reperti archeologici – un esempio pratico è l'analisi ravvicinata del dipinto di uno scrigno egiziano: grazie ai raggi X si è scoperto che gli antichi artigiani utilizzavano il manganese per ottenere il colore nero, il ferro per il rosso e il rame per il blu– e risulta decisiva per svelare modifiche, falsificazioni e opere nascoste. I raggi X riescono infatti a vedere ciò che è invisibile a occhio nudo, mostrando se un artista ha riutilizzato una tela o se un dipinto antico contiene elementi chimici inventati solo in epoca moderna. A Catania, questa eccellenza è rappresentata dal rivelatore mobile LANDIS dei LNS: uno strumento compatto che i ricercatori possono trasportare direttamente nei musei, evitando alle opere d'arte più fragili e preziose i gravissimi rischi legati al trasporto in un laboratorio esterno.
Come si studia il nucleo atomico
Per studiare la struttura invisibile del nucleo atomico, i fisici utilizzano principalmente il metodo delle collisioni tra particelle. Questo processo è paragonabile al tentativo di capire come sia fatto un meccanismo complesso facendolo scontrare ad altissima velocità con un altro oggetto e analizzando poi i frammenti risultanti dall'impatto.Un esperimento di questo tipo richiede l'interazione di tre elementi fondamentali: Sorgenti di particelle: Sono i dispositivi che generano i "proiettili" subatomici (come elettroni, protoni o ioni). Queste particelle vengono poi iniettate negli acceleratori, che sfruttano campi elettrici e magnetici per portarle a energie e velocità prossime a quella della luce. Bersagli: Rappresentano l'obiettivo da colpire e sono costituiti dal materiale di cui si vogliono studiare i nuclei. A seconda dell'esperimento, il bersaglio può essere una lamina metallica sottilissima, un gas racchiuso in una camera o un flusso di liquido posizionato esattamente sulla traiettoria del fascio di particelle. Rivelatori: Sono strumenti altamente tecnologici disposti intorno al punto di collisione. Funzionano come enormi macchine fotografiche digitali in grado di registrare in tempo reale il passaggio dei detriti nucleari. Misurando con precisione la traiettoria, l'energia e la carica elettrica di ogni particella prodotta, i rivelatori permettono ai computer dei fisici di ricostruire l'identità e le proprietà intime del nucleo originario.
Gli acceleratori dei LNS
Il Tandem Van de Graaff è un acceleratore elettrostatico di tipo lineare in funzione ai LNS dal 1983. Si tratta di una struttura imponente, lunga ben 25 metri e dal peso di 120 tonnellate. Il suo nome deriva dal particolare processo a due stadi ("a doppia accelerazione") con cui spinge gli ioni. Sfruttando una grandissima differenza di potenziale elettrico fino a 15 milioni di Volt (15 MV), la macchina attrae inizialmente gli ioni negativi generati dalla sorgente verso il centro. Qui è posizionato uno stripper (un sottile foglio di carbonio) che strappa loro gli elettroni, trasformandoli in ioni positivi. Trovandosi improvvisamente con carica opposta, le particelle vengono violentemente respinte verso l'uscita, raddoppiando l'energia ricevuta. Questa macchina viene impiegata per lo studio della fisica nucleare e dell'astrofisica nucleare: a queste energie controllate, l'impatto fa sì che i due nuclei si fondano tra loro, espellendo alcune particelle nel processo.Il Ciclotrone Superconduttore (CS) è invece un acceleratore di tipo circolare, fiore all'occhiello tecnologico dei laboratori dal 1994. Questa macchina sfrutta la combinazione di una differenza di potenziale, campi elettrici a radiofrequenza e potenti campi magnetici statici per costringere le particelle a muoversi lungo una traiettoria a spirale. Ogni volta che completano un giro, i campi elettrici forniscono una nuova spinta, permettendo di raggiungere un'accelerazione e un'energia decisamente maggiori rispetto al Tandem. Il CS viene utilizzato sia per la fisica nucleare sia per la fisica applicata. Proprio a causa dell'altissima energia impressa alle particelle, l'impatto con il bersaglio è così violento che i due nuclei coinvolti nella collisione si distruggono a vicenda, permettendo di studiare i frammenti risultanti.
I rivelatori di particelle
I rivelatori di particelle sono gli "occhi" tecnologici dei fisici, strumenti progettati per tradurre il passaggio delle particelle subatomiche – altrimenti invisibili – in dati digitali misurabili. Questo processo avviene quando una particella attraversa il materiale sensibile del dispositivo, interagendo con i suoi atomi: l'energia rilasciata nell'impatto strappa elettroni (ionizzazione) o genera piccoli lampi di luce (scintillazione). Poiché questi segnali sono infinitesimali, il rivelatore li amplifica e li converte in impulsi elettrici, che vengono poi trasformati in bit dai computer per calcolare con precisione millimetrica l'energia, la traiettoria e la carica della particella originaria. In base al loro funzionamento, si dividono in due grandi categorie: i rivelatori attivi, che richiedono energia elettrica e registrano gli eventi in tempo reale inviando subito i dati ai software, e i rivelatori passivi, che non necessitano di alimentazione e imprimono le tracce in modo permanente nella propria struttura chimica o fisica, richiedendo una successiva analisi in laboratorio. L'esistenza stessa di questi strumenti è vitale per la ricerca scientifica, poiché permette di verificare le teorie della fisica fondamentale isolando eventi rarissimi tra miliardi di collisioni. Inoltre, le tecnologie nate per i rivelatori hanno un impatto enorme sulla società, specialmente in medicina, dove hanno permesso la nascita di strumenti diagnostici salvavita come la PET e la TAC.
Neutrini e studio dell'universo
L'astronomia moderna si sta spingendo oltre la semplice osservazione della luce grazie all'astronomia multimessaggera, un approccio che studia il cosmo combinando diversi segnali: onde elettromagnetiche (come le onde radio che hanno rivelato il buco nero al centro della galassia), onde gravitazionali e particelle. Tra queste, i neutrini sono messaggeri preziosissimi. Battezzati storicamente in Italia nell'alveo degli studi di Fermi e Majorana, sono particelle prive di carica elettrica e con massa infinitesimale. Poiché risentono solo dell'interazione nucleare debole, non vengono deviati né assorbiti dalla materia: viaggiano sempre dritto attraversando intere galassie intatte, fornendo informazioni purissime sul cataclisma cosmico in cui nascono.Proprio perché non interagiscono quasi mai, intercettarli è difficilissimo e richiede un chilometro cubo di materiale sensibile. Da qui nasce KM3NeT, un immenso telescopio sottomarino situato a 3.500 metri di profondità a 100 km da Portopalo, in Sicilia (con un secondo sito in Francia). Lo strumento sfrutta l'acqua del mare: quando un neutrino interagisce raramente con essa, genera una particella chiamata muone. Questo muone si muove nell'acqua a una velocità superiore a quella della luce nel mezzo idrico, producendo la luce Cherenkov, un debole lampo bluastro a forma di cono. I rivelatori sottomarini captano questa luce, permettendo ai computer di calcolare la traiettoria originaria del neutrino. Il progetto, pienamente attivo, ha raggiunto un traguardo storico proprio di recente nei fondali siciliani, dove è stato registrato il neutrino più energetico mai rilevato al mondo, aprendo una nuova frontiera nella comprensione dell'universo.
La struttura dell'atomo
Ogni frammento di materia è composto da atomi, la cui struttura può essere immaginata come un minuscolo sistema planetario. Al centro dell'atomo si trova il nucleo atomico, una regione incredibilmente densa che concentra quasi la totalità della massa atomica. Il nucleo è composto da due tipi di particelle, chiamate nucleoni: i protoni, dotati di carica elettrica positiva, e i neutroni, che sono elettricamente neutri. Attorno a questo nucleo orbita una nube di elettroni, particelle leggerissime e con carica negativa, che si muovono a grande velocità e bilanciano la carica positiva dei protoni, rendendo l'atomo stabile e neutro.Le dimensioni del nucleo sono nell'ordine di 10−15 m (un femtometro), il che lo rende circa centomila volte più piccolo dell'atomo nel suo complesso. Per governare la materia all'interno dell'atomo e nell'intero universo, la natura si serve di quattro forze fondamentali. La prima è la forza nucleare forte, la più potente, che agisce come un potentissimo "collante" a brevissimo raggio, capace di tenere uniti i protoni e i neutroni nel nucleo vincendo la naturale repulsione elettrica tra cariche positive. La seconda è la forza elettromagnetica, che agisce sulle particelle dotate di carica: è la forza che lega gli elettroni negativi al nucleo positivo. Troviamo poi la forza nucleare debole, responsabile dei processi di decadimento radioattivo e fondamentale per innescare le reazioni di fusione nucleare. Infine, la forza gravitazionale è l'attrazione che agisce tra tutti i corpi dotati di massa; pur essendo la più debole di tutte nel mondo microscopico dell'atomo, diventa la forza dominante su scala macroscopica, governando i movimenti di pianeti, stelle e galassie.