Eccellenze dei Castelli: i Laboratori di Fisica Nucleare

Inizia su “Centoventuno.it” un viaggio per conoscere meglio le eccellenze che sono presenti nella zona dei Castelli Romani. Frascati è la prima tappa di questo percorso: sono numerosi i centri di ricerca presenti in questa città di 22mila abitanti alle porte di Roma. Oggi ci occuperemo dei Laboratori di Fisica Nucleare (LFN) intervistando il suo direttore, il dott. Pierluigi Campana.

L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), il massimo ente pubblico in Italia per lo studio e la ricerca nell’ambito della fisica subnucleare, nucleare e astroparticellare, ha i suoi laboratori più grandi a Frascati, a due passi dalla “Città Eterna”.

I Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) nati nel 1955 su un terreno di 13 ettari donato gratuitamente dal Comune di Frascati all’Istituto, costituiscono uno dei centri più avanzati per ciò che riguarda la costruzione degli acceleratori di particelle, non solo in Italia ma in Europa.

Tali acceleratori sono macchinari ad altissima tecnologia che vengono utilizzati principalmente per permettere lo studio della materia e delle particelle che la compongono, ed accedere alla conoscenza delle leggi che regolano l’intero Universo.

Il know-how accumulato nel corso dei decenni in questi laboratori ha permesso all’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di dare un contributo importante anche in campi apparentemente estranei alla loro attività principale. Uno di questi è sicuramente la medicina: nei Laboratori sono stati costruiti, in collaborazione con la Fondazione TERA e il CERN (Centro Europeo per la Ricerca Nucleare), i macchinari che ora vengono utilizzati al Centro Nazionale Adroterapia Oncologica (CNAO) a Pavia per la cura di tumori profondi, a cui non si può arrivare per via chirurgica. I macchinari realizzati servono a rilasciare fasci di particelle che colpiscono le cellule tumorali, minimizzando l’impatto sui tessuti sani.

Tra le collaborazioni con altri istituti di ricerca, spicca la collaborazione con CNR (Centro Nazionale della Ricerca) ed ENEA (Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile): insieme è stata possibile la progettazione e la costruzione di un laser tecnologicamente avanzato come quello a elettroni liberi SPARC (Sorgente Pulsata Auto-amplificata di Radiazione Coerente). Sempre in équipe con il CNR è stato progettato e costruito il laser FLAME (acronimo di Frascati Laser for Acceleration and Multidisciplinary Experiments), unico in Italia in grado di generare radiazione di alta qualità ed intensita’.

In questa struttura non c’è spazio solamente (si fa per dire) per la ricerca nell’ambito della fisica nucleare o particellare: i Laboratori accolgono ogni anno 9mila persone tra studenti, professori e famiglie, durante numerose iniziative educative realizzate allo scopo di diffondere la cultura scientifica e lo studio della Fisica.

  Per saperne di più riguardo ai progetti in corso di questo importante centro di ricerca e alle sfide future che lo aspettano, abbiamo intervistato il direttore dei Laboratori, il dott. Pierluigi Campana.

Dott. Campana, può spiegarci quali sono gli ambiti di ricerca scientifica in cui sono attivi i Laboratori di Fisica Nucleare di Frascati?

I Laboratori di Frascati sono i più grandi laboratori dell’INFN, ossia l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, che ha come missione  la ricerca base nell’ambito della fisica delle particelle, della fisica nucleare, astroparticellare, della fisica teorica e della ricerca tecnologica. I laboratori si caratterizzano per il fatto di essere orientati, fin dalla loro fondazione avvenuta nel 1955, nella ricerca dello studio e lo sviluppo delle macchine acceleratrici.

Se fossimo un ristorante, gli acceleratori sarebbero il nostro piatto principale. Il Laboratorio, potendo contare al suo interno su proprie macchine acceleratrici, nel corso degli anni ha ospitato numerosi fisici e ricercatori per esperimenti di fisica delle particelle e di fisica nucleare.

Anche i nostri fisici hanno cominciato poi a lavorare anche agli acceleratori che stanno all’estero, in particolare al CERN, al FermiLab negli Stati Uniti e in altre parti del mondo. È prevalente la collaborazione con le strutture del CERN, perché il CERN è un laboratorio internazionale a cui l’INFN e l’Italia partecipano con una quota fissa: quindi, se vogliamo, il più grosso laboratorio dell’INFN non è a Frascati ma a Ginevra. Siamo “proprietari” del 12% del CERN, perché quella è la nostra quota di contributo nazionale.

Per rimanere nella metafora culinaria, se la fisica degli acceleratori è il nostro primo piatto, il “secondo” è sicuramente la costruzione dei rivelatori di particelle per questi esperimenti che si svolgono sia qui che fuori dall’Italia. Ad esempio in un altro laboratorio dell’Istituto, il “Gran Sasso”, dove un gruppo di fisici dei LNF ha sviluppato vari sistemi di rivelatori.

Quali ricadute hanno queste attività di ricerca sulla vita di tutti i giorni?

Negli ultimi anni, si sta vedendo come molte cose che noi facciamo per la fisica delle particelle in realtà ha delle applicazioni extra rispetto alla fisica di base, che incidono nella nostra vita quotidiana: ci permettono di fare una radiografia o una PET in un ospedale, di fare delle misure presso le centrali nucleari o presso i depositi di scorie radioattive. C’è un panorama di attività interdisciplinari anche nel campo dei beni culturali, ad esempio, in cui si utilizzano le tecnologie che vengono sviluppate qui: non solo quelle che servono per la datazione dei reperti, ma anche per capire la composizione di alcune ceramiche o i pigmenti di alcuni dipinti.

Il vostro centro promuove in prima persona la cultura e il sapere scientifico: in questo mese, ad esempio, parte il progetto “LNF Educational”. Ce ne vuole parlare?

Noi abbiamo un intenso programma “educational”, che è composto di svariati livelli: dai bambini delle prime scuole elementari agli studenti dei licei e degli istituti tecnici, in particolare quelli della zona dei Castelli. E poi c’è l’offerta formativa dedicata agli studenti universitari. Abbiamo due grandi eventi: uno è l’”Open Day” che si svolge in un’unica giornata, in un sabato di maggio di solito, in cui il Laboratorio è aperto dalla mattina alla sera dalle 10 alle 22 e offriamo al pubblico seminari e visite guidate. Lo scorso anno, pur essendo una giornata piovosa, abbiamo registrato più di 2mila accessi nel Laboratorio.

Un altro evento, che si inquadra in un contesto europeo e che ha avuto molto successo nelle passate edizioni, è “La notte dei ricercatori”: l’ultimo venerdì di settembre apriamo il laboratorio dalle 18 in poi fino a mezzanotte e anche in questo caso è possibile assistere a visite guidate, spettacoli, concerti, sempre aventi come tema la scienza.

Tra gennaio e maggio avremo, per le classi quinte degli istituti partecipanti, sette matinées di scienza, con lezioni di fisica e dimostrazioni sperimentali. A marzo partiranno le “International Masterclass” per studenti italiani e stranieri: sono previste lezioni, seminari e, in più, momenti a stretto contatto con i nostri ricercatori.

Il 3 aprile prossimo, per la prima volta, ci sarà qui ai LNF un evento pensato per gli studenti delle scuole superiori. È un’iniziativa per l’orientamento post scuola secondaria, che gli americani chiamano “Stem Day”, realizzata per spingere chi si diploma ad iscriversi alle facoltà scientifiche o ingegneristiche.

A giugno sarà dato il via agli stages estivi per le scuole del circondario di Roma ma anche da tutta Italia, rivolte ai ragazzi del IV anno, che potranno seguire seminari ed esperimenti insieme ai ricercatori dell’Istituto.

Il “plus” di queste giornate sta nella possibilità, da parte degli studenti, di vedere chi fa ricerca in azione: non è come andare al museo della scienza, che è comunque bello, intendiamoci. Qui la divulgazione scientifica non la fa Piero Angela ma la fanno i ricercatori, cioè quelli che un’ora prima stavano facendo al computer l’analisi del bosone di Higgs. Questa è la grande valenza della divulgazione fatta dai ricercatori, da chi sta sul “pezzo” ed in maniera diretta. Per alcuni è un dovere farla, ma per altri è anche un piacere. Anzi deve trasformarsi in piacere. Ed è questo il tipo di divulgazione che veicola al massimo l’entusiasmo tra i giovani per fare ricerca e creare altre prospettive lavorative.

All’interno del programma “INFN-LFN Educational” sono previste iniziative specifiche anche per i docenti delle scuole superiori?

È da ormai sedici anni che i Laboratori di Frascati organizzano gli “Incontri di Fisica”, che si tengono ad ottobre. Sono tre giornate dedicate solo ai docenti di materie scientifiche (fisica e matematica) in cui abbiamo due mattine di seminari e una giornata in cui questi insegnanti vengono raggruppati in più èquipe per svolgere esperimenti di Fisica in laboratorio.

È un evento che conta 15 esperienze laboratoriali all’anno con 220 partecipanti di media: arrivano professori di licei scientifici, classici e istituti tecnici da tutta Italia.

L’idea che guida questi incontri è quella di riuscire a stimolare il docente che vi partecipa, in modo che poi sia egli stesso a fungere da “cinghia di trasmissione” con gli studenti e stimolarli rispetto alla fisica.

I programmi “Educational” sono gratuiti oppure a pagamento?

Quest’anno è a pagamento solo la parte degli “Incontri di Fisica” perché abbiamo incluso, insieme a questo pacchetto di lezioni, anche delle lezioni in e-learning realizzate insieme all’Università Telematica “Marconi”, con la quale i professori possono prendere dei crediti formativi.

Il costo è di 100 euro: una cifra simbolica e l’evento può essere acquistato utilizzando il bonus docenti. Le iniziative formative dedicate ai ragazzi, invece, sono completamente gratuite. Inoltre, già dallo scorso anno abbiamo attivato qui ai LFN dei programmi di alternanza scuola-lavoro in maniera autonoma e che quest’anno stiamo riproponendo in maniera più massiccia, con un progetto pilota per il Lazio realizzato d’intesa con il Ministero della Pubblica Istruzione che vedrà partecipi 500 studenti presso le nostre strutture.

Come ente di ricerca, avete lavorato con altri centri all’avanguardia per importanti progetti di ricerca di livello internazionale, finanziati anche con fondi europei. Quali sono quelli al momento più interessanti che state seguendo?

 Ne abbiamo svariati in corso: uno dei più importanti in cui siamo coinvolti, come INFN, è il progetto “EuPraxia”. Oltre a noi, vede come partecipanti altri 15 soggetti tra laboratori e università: tra questi, l’ENEA, il CNR e l’Università “La Sapienza” di Roma.

“EuPraxia” parte dalla considerazione che per andare oltre l’attuale acceleratore di particelle più grande del mondo, ossia l’LHC che si trova al CERN di Ginevra, o si costruisce un macchinario con un tunnel che supera i 100 km di lunghezza (e diventerebbe un’operazione colossale), oppure si può immaginare di realizzare acceleratori che rilasciano la stessa energia dell’LHC, probabilmente, ma con dimensioni ridotte, come noi stiamo pensando di fare. Questa è la prossima frontiera degli acceleratori.

Un progetto del genere non avrebbe applicazioni solo per la fisica delle particelle ma anche per tutti gli acceleratori che vengono usati per le saldature (electro beam technology) o a scopo medico: ad esempio, un ospedale potrebbe ospitare il proprio acceleratore per terapia in spazi decisamente più contenuti degli attuali.

Con “EuPraxia” vogliamo cogliere al balzo l’opportunità di costruire il primo prototipo europeo e forse mondiale di questo tipo di acceleratore a Frascati: visto che le dimensioni sono tali da poterlo contenere dentro il laboratorio, stiamo cominciando a progettare un edificio sufficientemente grande da ospitare questo tipo di attrezzatura.

Poi c’è il progetto “ELI – NP” (Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics), finanziato dalla Commissione Europea e dalla Romania: si tratta di uno dei tre pilastri di “ELI”, un’idea progettuale portata avanti da un consorzio internazionale formato da centri di ricerca e imprese europee tra cui, ovviamente, quelle italiane.

Questa iniziativa si compone di tre laboratori complementari: uno nella Repubblica Ceca, uno in Ungheria e uno in Romania. In quest’ultimo, ci sono nostri tecnici e ricercatori che mettono a disposizione le loro competenze per la costruzione di una sorgente di raggi gamma (ossia fotoni di alta e altissima energia) che aiuterà la ricerca di base in fisica nucleare ed applicata in tantissimi altri campi, uno fra tutti quello medico.

Nel corso della vostra attività di ricerca, ci sono state aziende interessate ad alcune vostre idee?

Qui ai Laboratori di Frascati abbiamo realizzato, attraverso il progetto “!CHAOS”, un sistema che legge in continuazione svariate centinaia di sensori, raccoglie le informazioni e le elabora. Noi lo utilizziamo per le macchine acceleratrici, ma può essere sfruttato in diversi ambiti, ad esempio in ottica “smart city”. In ambito industriale, invece, abbiamo avuto modo di iniziare una collaborazione con la più importante realtà europea del packaging, che si chiama IMA e si trova in Emilia Romagna.

Questa azienda ha l’esigenza di controllare le proprie linee di produzione in tempo reale: il sistema da noi messo a punto permette un controllo a livello di millisecondi, con il vantaggio enorme di ridurre la distanza temporale tra il momento in cui si verifica un errore durante le fasi produttive e la rilevazione dell’errore stesso.

Ora all’IMA ci sono nostri ricercatori che stanno preparando e adattando il codice per queste applicazioni.

Questo è un esempio di ricerca di base, finanziata dal Ministero della Pubblica Istruzione, applicata all’industria. Il progetto “!CHAOS” è stato portato avanti dai nostri Laboratori perché serviva per i nostri studi sugli acceleratori: solo successivamente si è capito che poteva essere utile per fini extra ricerca. Per questo è importante e va sostenuta, perché può portare in tempi più rapidi ad innovazioni utili per la nostra vita.