La divulgazione scientifica
come comunicazione d'impresa:
il caso del Cern

Duccio Abbaneo
Cern di Ginevra

Vi racconterò adesso come inizia una visita al CERN. Purtroppo la parte più interessante, scendere sottoterra e vedere uno dei grandi rivelatori, oggi non sarà possibile.

Ricomincio dal primo trasparente che ha mostrato Paola: questo è il sito del CERN:

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Il grande cerchio che vedete disegnato sulla cartina è il LEP, il più grande degli acceleratori di particelle del CERN, e il più grande del mondo, che si trova sottoterra ad una profondità variabile tra 50 e 170 m dalla superficie. Nei punti indicati dai quattro pallini bianchi si trovano le quattro aree sperimentali dove sono installati i rivelatori che studiano le collisioni tra particelle prodotte dall'acceleratore.

Che cos'è il CERN? Il CERN nasce nel 1953 come una collaborazione europea, fondata per dar vita a un laboratorio di fisica internazionale. Oggi il CERN conta 20 stati membri, e l'Italia è uno degli stati fondatori e uno dei quattro che contribuiscono maggiormente al laboratorio, insieme a Francia, Germania e Regno Unito.

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L'idea di avere un laboratorio comune europeo è nata perché con il progredire delle conoscenze, da un lato è diventato sempre più difficile mettere insieme le strutture, la tecnologia, ma anche il supporto umano e tecnico per far funzionare un laboratorio di fisica di avanguardia.

Grazie alla cooperazione tra gli stati, abbiamo oggi in Europa un laboratorio che è alla frontiera della scienza e della tecnologia moderna, con grandi mezzi economici a disposizione, senza che questo pesi troppo sulle finanze dei singoli stati. E probabilmente proprio grazie a questa iniziativa l'Europa è riuscita, negli ultimi decenni, a competere con gli Stati uniti nel campo della ricerca in fisica delle particelle, assumendo probabilmente il ruolo di leader, quando invece nel passato gli Stati Uniti erano sempre stati all'avanguardia.

Questa è la mappa aggiornata degli stati membri del CERN. L'ultimo entrato a far parte della famiglia è la Bulgaria.

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E dunque come funziona, come è organizzato il CERN?

Come dicevamo questo laboratorio è nato per essere a disposizione dei ricercatori degli stati membri, non è un istituto di ricerca esso stesso. Perciò le persone che lavorano al CERN per lo più non sono ricercatori, ma sono tutto il personale di supporto che occorre per far funzionare una struttura di questo genere. Abbiamo quindi ingegneri (meccanici, elettronici, civili), tecnici di laboratorio, informatici, personale amministrativo, e poi i cosiddetti "fisici applicati", cioè fisici che sono specializzati nella costruzione e manutenzione di acceleratori e rivelatori. I "fisici di ricerca" impiegati dal CERN sono molto pochi, tra 100 e 200, su un totale di circa 3000 persone.

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Chi è dunque che fa ricerca al CERN? Sono i fisici appartenenti alle università italiane e francesi, ai college inglesi, ai vari istituti di ricerca dei paesi membri. Questi scienziati possono collaborare a progetti che si portano avanti al CERN, o proporre progetti. Gli esperimenti, che ai tempi di Fermi si facevano, con pochi mezzi, negli scantinati delle Università, sono oggi imprese molto più grandi e complicate, che vengono messe in opera grazie alla collaborazione di scienziati sparpagliati per l'Europa e anche oltre, e grazie alla presenza di un centro sperimentale come il CERN.

In realtà poi il CERN non è un circolo esclusivo accessibile solo ai fisici appartenenti agli stati membri. Ecco una mappa dei ricercatori che sono "utenti" del CERN:

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Come vedete, oltre alla parte predominante degli stati membri, c'è anche un contributo importante da Stati Uniti e Canada, Russia, Cina, India, e, in misura minore, anche sud-America, Africa e Australia.

La partecipazione di gruppi di ricercatori, anche non appartenenti a stati membri, a progetti del CERN è sempre incoraggiata, purché questi gruppi abbiano i requisiti necessari in termini di competenze scientifiche e siano disposti a contribuire anche economicamente al progetto.

Dunque, come abbiamo detto, lo scopo fondamentale del CERN è la ricerca in fisica delle particelle, e la cooperazione tra gli stati membri consente di avere, concentrati in un unico laboratorio, tutti gli strumenti scientifici e le attrezzature necessarie, spesso ai limiti della tecnologia disponibile, e tutto il supporto umano di esperti in informatica, ingegneria e fisica applicata che occorre perché una tale struttura possa funzionare.

Ma il CERN, oltre al suo scopo fondamentale di laboratorio di ricerca, assume anche un ruolo importante per l'istruzione dei giovani fisici, e come partner dell'industria nel progresso tecnologico.

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Molti degli studenti di fisica delle Università italiane, che arrivano alla fine del corso di laurea e prendono una tesi sperimentale in fisica delle particelle, vengono associati a un progetto del CERN. Uno studente che partecipa a un esperimento del CERN, ha l'occasione di trascorrere lunghi periodi nel laboratorio, prima durante il lavoro di tesi, e più tardi durante il dottorato di ricerca, lavorando in gruppo con ricercatori provenienti da tutte le parti del mondo, a un progetto sperimentale alla frontiera della conoscenza. Questa esperienza è fondamentale per la formazione del giovane ricercatore, un complemento essenziale alla cultura scientifica assimilata sui banchi dell’Università.

La simbiosi con l'industria nasce dalla necessità di sviluppare nuove tecnologie. Ogni volta che si costruisce un nuovo acceleratore, o nuovi rivelatori, si superano nuove barriere, si inventano soluzioni tecniche che non esistono sul mercato, nello sforzo di costruire apparecchiature sempre più sofisticate, che consentano di esplorare sempre più a fondo i segreti della materia. Queste nuove tecnologie vengono sviluppate al CERN, o nei laboratori degli stati membri, ma poi la costruzione di apparati di grandi dimensioni impone che la produzione delle componenti sia fatta su scala industriale. Le nuove tecnologie vengono quindi passate all'industria, che se ne appropria e realizza la componenti di cui il laboratorio ha bisogno.

Il laboratorio riceve così le apparecchiature che consentono di portare avanti le ricerche, e le ditte coinvolte acquistano tecnologie che forse non sarebbero in grado di sviluppare individualmente, e che generalmente poi trovano applicazioni in molti altri campi.

Ma torniamo adesso allo scopo fondamentale del laboratorio, che è la ricerca.

La ricerca in fisica nasce dal bisogno di elaborare modelli matematici che diano una descrizione accurata, "quantitativa", dei fenomeni naturali.

Cioè trovare delle "equazioni" che abbiano potere predittivo, che consentano di "calcolare" come un fenomeno avviene. E per decidere se un modello è adeguato o no, la regola è semplice: fare delle misure sui fenomeni, e vedere se, entro la precisione di tali misure, le predizioni del modello sono corrette. Quindi per fare verifiche accurate su un certo modello, e definire in maniera approfondita i suoi limiti di validità, occorre fare misure precise. Purtroppo pero' la natura è sempre avara di fenomeni facili da osservare e da interpretare. Allora per far progredire la conoscenza, è necessario procurarsi osservazioni ad hoc, cioè inventare esperimenti. L'esperimento è un fenomeno naturale che viene provocato dall'uomo, in laboratorio, in condizioni particolarmente semplici, che consentono, sperabilmente, di isolare l'effetto che si vuole studiare, fare la misura che serve, senza avere in mezzo una miriade di altri effetti che complicano e confondono il quadro, e rendono impossibile una interpretazione diretta delle osservazioni (questo è ciò che avviene generalmente in natura!). Talvolta le misure sperimentali sono in disaccordo con le predizioni del modello, oppure sono parzialmente in accordo, ma fanno emergere anche degli aspetti nuovi, mai osservati prima, che spingono a porsi nuove domande, e a rielaborare i modelli. In questo modo progredisce il lavoro di ricerca, fino a che non si arriva alla conclusione che la classe di fenomeni studiati è descritta dal modello con sufficiente precisione. Il modello è la conoscenza, è il fine ultimo della ricerca in fisica.

Guardando indietro nella storia degli ultimi tre secoli, possiamo dire che questa conoscenza ha sempre dato, nel corso del tempo, spesso nel lontano futuro, applicazioni pratiche che hanno cambiato il mondo, ben lontane dall'immaginazione e dagli intenti dei fisici ricercatori. Maxwell, che all'inizio del secolo ha trovato le equazioni che descrivono la propagazione del campo elettromagnetico, di certo non poteva immaginare che cento anni più tardi, quella conquista scientifica avrebbe avuto conseguenza pratiche quali i telefoni portatili, i radar, le comunicazioni via satellite. Lo scopo del ricercatore è semplicemente capire fenomeni che non sono spiegati, che non sono matematicamente descritti da nessuno modello esistente, le applicazioni pratiche della conoscenza che alla fine si acquisisce sono lontane nel tempo e imprevedibili. Ci sono poi, come dicevamo prima, dei vantaggi secondari immediati che nascono dal progresso tecnologico sviluppato ai fini della ricerca scientifica, che poi trova applicazioni in altri campi. Ad esempio una frazione importante degli strumenti che vengono adoperati oggi in medicina, specialmente nella diagnostica, deriva dalle tecnologie sviluppate qualche decennio fa per la ricerca in fisica.

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Qual è lo stato delle ricerche in fisica della particelle? Cosa stiamo facendo? Beh, qui non posso andare nei dettagli. La fisica delle particelle è la fisica di frontiera dell'infinitamente piccolo, è la ricerca dei costituenti fondamentali della materia e delle leggi che ne regolano il comportamento. Questa frontiera era una volta la fisica atomica, poi è diventata la fisica nucleare, poi anche il nucleo è stato risolto nei suoi componenti, i protoni e i neutroni, arrivando cosi' alla fisica subnucleare, che si è chiamata fisica delle particelle elementari. Oggi sappiamo che anche il protone e il neutrone non sono particelle elementari, ma sono a loro volta costituite da componenti più piccoli, i quark. I quark, per quanto possiamo dire oggi, sono effettivamente particelle elementari, i costituenti fondamentali della materia nucleare.

In questa tabella vedete riassunto il quadro della zoologia delle particelle elementari, secondo le conoscenze attuali:

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Abbiamo due grandi classi di particelle, i leptoni e i quark, ciascuna organizzata in tre famiglie, che sono repliche l'una dell'altra.

Nella prima famiglia, tra i leptoni troviamo l'elettrone, tra i quark troviamo il quark U e il quark D. Con i quark U e D si fabbricano il protone e il neutrone, che come sapete compongono i nuclei di tutti gli elementi della tavola periodica. Quindi con le particelle della prima famiglia già si fabbrica tutta la materia ordinaria, la materia che abbiamo intorno a noi ogni giorno.

Cosa fanno le particelle delle altre due famiglie? Sono repliche piu' pesanti delle particelle della prima famiglia, e se vengono prodotte si disintegrano in particelle della prima famiglia in tempi brevissimi, che vanno dal milionesimo di secondo al millesimo di miliardesimo di secondo, quindi non sono normalmente osservabili in natura. Questa è già una buona ragione per fare degli esperimenti.

Queste particelle pesanti vengono occasionalmente prodotte in natura, per esempio quando un raggio cosmico molto energetico, cioè una particella di alta energia proveniente dallo spazio esterno, colpisce un atomo di gas negli strati alti dell'atmosfera. In questa collisione, se la particelle-proiettile è molto energetica, si possono creare particelle della seconda e anche della terza famiglia, che pero' poi si disintegrano rapidamente in particelle della prima famiglia. Quindi se si vuole andare a studiare il comportamento di questi stati "pesanti" della materia, e vedere se i nostri modelli sono in grado di descriverli accuratamente, è impossibile pensare di andare ad osservarli li' dove vengono prodotti in natura. L'unica possibilità è provocare collisioni di alta energia in un laboratorio. In questo modo la collisione avviene in un punto dello spazio, e in un istante nel tempo ben precisi, e i prodotti della collisione possono essere studiati. Intorno al punto dove avvengono le collisioni si costruisce un grande e sofisticato strumento che consente di raccogliere segnali del passaggio delle particelle prodotte: il rivelatore.

Oltre a quark e leptoni, che sono i componenti fondamentali della materia, vedete qui i quattro mediatori delle forze. Sapete che in natura ci sono quattro forze fondamentali. A livello quantistico, cioè a livello delle particelle elementari, le interazioni sono descritte attraverso lo scambio di oggetti - particelle a loro volta - che "mediano" l'interazione tra i due corpi. Questi mediatori sono, in un certo senso, l'unita' di forza che viene scambiata nell'interazione (ad esempio l'urto) tra due particelle.

Che cosa si adopera nel laboratorio? Quali sono gli strumenti della ricerca? Possono essere classificati in tre famiglie.

Gli acceleratori, che servono per produrre collisioni tra particelle; i rivelatori, che producono segnali quando vengono attraversati dalle particelle prodotte nelle collisioni, e sono dunque gli "occhi" che consentono di vedere le collisioni; infine i computers, che sono utilizzati pesantemente in ogni fase di un progetto, fino all'ultimo passo, che è l'analisi dei dati.

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Cos'è un acceleratore? Facciamo l'esempio più' semplice, prendiamo una TV. Nella TV, in maniera molto semplificata, troviamo un filamento percorso da corrente. Davanti a questo filo c'è un campo elettrico che tende a tirare fuori gli elettroni che circolano nel metallo. Se il campo è sufficientemente intenso, qualche elettrone viene strappato via, e questi elettroni formano un pennellino che viene accelerato dal campo elettrico, e poi deflesso da un magnete.

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Il magnete è governato dai segnali che arrivano dall'antenna, e quindi deflette il pennellino secondo i segnali che riceve. Il pennellino colpisce poi lo schermo, che in questo caso funziona come un rivelatore, e nel punto dove viene colpito si accende un puntino luminoso.

Il pennellino spazza continuamente tutto lo schermo, formando le immagini che noi guardiamo.

Il principio di funzionamento di un acceleratore di particelle è perfettamente identico: C'è un filamento (o qualcosa di analogo) dal quale vengono estratte le particelle, che poi vengono accelerate da campi elettrici e deflesse da campi magnetici.

Vedete qui lo schema degli acceleratori del CERN, non in scala, altrimenti il LEP non entrerebbe nella pagina:

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Come vedete ce ne sono molti, ed alcuni di essi funzionano da stadio di preaccelerazione per un acceleratore più grande. Ci sono punti dove i fasci vengono estratti da un anello e mandati contro un bersaglio fisso, ci sono punti dove fasci che circolano in versi opposti vengono fatti collidere l'uno contro l'altro. Queste due diverse strategie hanno, ciascuna, vantaggi e svantaggi, ma oggi non ho il tempo di entrare nei dettagli, potremo parlarne se venite in visita al CERN.

Vedete qui, giusto per avere un'idea, il disegno in scala di un rivelatore.

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Questo è uno dei quattro grandi rivelatori installati nei quattro punti dove il LEP produce collisioni. Le figure umane vi danno l'idea delle dimensioni. Le collisioni avvengono nel punto centrale, i fasci di elettroni e anti-elettroni entrano da questi tubi. Dalla collisione emergono particelle che possono andare in qualunque direzione, da cui la necessita' di coprire il più possibile tutto lo spazio intorno al punto centrale. Questa struttura "a cipolla" è costituita da rivelatori che sono specializzati per fornire un certo tipo di informazione sulle particelle prodotte, e ciascuna particella, indipendentemente dalla sua direzione di volo, li attraversa tutti quanti, in modo che tutta l'informazione necessaria viene raccolta. Gli eventi si producono con la frequenza di uno al secondo. Tutta l'informazione raccolta dai rivelatori viene registrata, e dopo anni ed anni di lavoro sull'analisi dei dati, se tutto va nel migliore dei modi, riusciamo a misurare ciò che volevamo.

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