I trent’anni del Laboratorio del Gran Sasso

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Il Presidente della Repubblica Sergio Mattarella in visita ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso con Fernando Ferroni, Presidente INFN - Credit: Photo Archivio INFN.

“È da tempo che desideravo visitare i laboratori del Gran Sasso perché questo è un punto di eccellenza tra i più alti del nostro Paese e costituisce un motivo di prestigio e di orgoglio per l'Italia”.

E’ con queste parole che il Presidente Sergio Mattarella ha salutato il 15 gennaio scorso la comunità dell’INFN riunita per le celebrazioni del trentennale delle attività scientifiche dei LNGS.

Nell’affollatissima sala Fermi dei Laboratori esterni ad Assergi eravamo in tanti ad ascoltare con emozione le sue parole di apprezzamento, sotto lo sguardo attento di due imponenti corazzieri: Presidente e Giunta INFN, il padre del Laboratorio Antonino Zichichi, il Direttore del Laboratorio, ex presidenti INFN, ex direttori, i responsabili dei maggiori esperimenti e la comunità degli scienziati, ingegneri, tecnici e amministrativi che vi lavorano. Erano altresì presenti tutte le maggiori autorità civili e militari regionali che in qualche caso, nel porgere i loro saluti iniziali, non hanno mancato di fare cenno al clima di ostilità e sospetto verso il laboratorio che serpeggia di nuovo nella popolazione locale per un ventilato nuovo esperimento di nome SOX (che è stato poi annullato per l’impossibilità di realizzare la sorgente con le caratteristiche necessarie all’esperimento N.d.R.). Un clima recentemente alimentato da servizi giornalistici espressione di una colpevole disinformazione scientifica, ma forse anche da una non sufficiente campagna informativa da parte dell’INFN.

Del discorso del Presidente Mattarella ho molto apprezzato in particolare la frase: “La scienza e la cultura costituiscono una realtà indivisibile. Ma questo versante della scienza che ho toccato con mano questa mattina, per una persona come me di studi umanistici ha particolare fascino perché ci si ritrova sulla frontiera della conoscenza del mondo e della sua storia, dell'universo e della sua storia”.

E questo stupore, questo fascino, infatti, che ci piace leggere negli occhi delle persone cui illustriamo le attività del laboratorio, quando si rendono conto del valore culturale universale per l’intera umanità della nostra ricerca scientifica.

E questo valore è anche risuonato più volte nelle parole di Antonino Zichichi: “Il futuro dei Laboratori risiede anche nel loro costante impegno per una scienza sempre più aperta, accessibile e senza frontiere“. “Perché la scienza è in grado di rappresentare un terreno di dialogo tra i popoli e uno strumento per la pace nel mondo: questo è un messaggio importante, che il Manifesto di Erice da sempre promuove e diffonde”.

La mattinata del Presidente era iniziata con la visita delle tre grandi sale del Laboratorio sotterraneo, dove si è soffermato in particolare davanti agli esperimenti Borexino, GERDA, CUORE e XENON1T, tra i più sensibili al mondo nelle attività di ricerca riguardanti la fisica del neutrino e la ricerca diretta di materia oscura.

Può essere interessante ripercorrere la storia dei LNGS. nati grazie a una grande intuizione di Antonino Zichichi. Alla fine degli anni ’70 si stava costruendo in Italia l’autostrada A24 Roma-L’Aquila-Teramo e in particolare il lungo tunnel a doppia carreggiata sotto il massiccio del Gran Sasso. Antonino Zichichi, allora Presidente dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, concepì l’idea di approfittare della costruzione del tunnel autostradale per realizzare a costi contenuti un grande laboratorio sotterraneo dotato delle più avanzate infrastrutture, da dedicare agli studi di fisica astro-particellare che in quegli anni cominciava a emergere nel panorama della fisica mondiale. Il laboratorio fu realizzato con straordinaria rapidità, nel 1979 il Presidente del Senato Amintore Fanfani convocò una seduta speciale della Commissione Lavori pubblici per la discussione del progetto, nel 1982 arrivò il primo finanziamento con affidamento all’Anas della sua costruzione, seguito da un secondo nel 1984. Già nel 1987 le operazioni di scavo erano state completate e si cominciavano a costruire i primi esperimenti, tra cui MACRO che nel 1989 era già in attività. Nel 1987 il Laboratorio entrò a far parte formalmente della struttura territoriale dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e il Consiglio Direttivo nominò il primo Direttore nella persona di Puccio Bellotti.

Caratteristiche del Laboratorio

Per la rilevanza mondiale degli esperimenti che vi si svolgono, per dimensioni e ricchezza della strumentazione scientifica e tecnologica, i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, a trent’anni dalla nascita, sono ancora oggi la più grande e avanzata infrastruttura al mondo dedicata alla fisica astro-particellare, grazie alla lungimiranza dell’impianto progettuale iniziale e all’accurata conduzione scientifica e tecnica nel corso degli anni. La fisica astro-particellare, il campo di studi che vi si pratica, ha potuto progredire così rapidamente e massicciamente negli ultimi decenni proprio in virtù di grandi infrastrutture di ricerca quali sono i laboratori sotterranei dotati di adeguati impianti tecnologici. L’aver ideato e costruito in Italia dalla fine degli anni ’70 un laboratorio così esteso e avanzato ha consentito all’Italia di partecipare da protagonista allo sviluppo e ai successi di questo campo di studi e ancora oggi le ricerche di frontiera che vi si svolgono assicurano al laboratorio un primato mondiale.

Un esempio del successo della fisica astro-particellare è l’aver stabilito l’esistenza delle oscillazioni di neutrino, la capacità cioè di queste straordinarie particelle di trasformarsi tra uno e l’altro dei tre tipi esistenti, viaggiando nello spazio e nel tempo. E’ questa un’evidenza sperimentale della parziale inadeguatezza del Modello Standard delle particelle elementari a spiegare tutti i fenomeni fisici già conosciuti.

I LNGS hanno avuto un ruolo rilevante in questo campo: nel passato con gli esperimenti GALLEX/GNO e MACRO, e di recente con l’esperimento OPERA che ha fornito la prima evidenza diretta delle oscillazioni, rivelando al Gran Sasso alcuni neutrini tau nel fascio puro di neutrini muonici provenienti dal CERN.

I Laboratori sotterranei sono collocati a circa metà del tunnel autostradale di 10 km che attraversa la montagna, con accesso dalla carreggiata in direzione Roma, tra le città dell’Aquila e Teramo, a circa 120 km da Roma. Consistono di tre grandi sale sperimentali - ognuna delle quali misura circa 100 metri di lunghezza, 20 metri di larghezza e 18 metri di altezza - e di alcuni tunnel di servizio, per un volume totale di circa 180.000 m3 e una superficie di circa 18.000 m2. La vicinanza all’autostrada consente un facile accesso ai mezzi pesanti per il trasporto d’impianti o pezzi di apparato di grandi dimensioni, facilita il continuo approvvigionamento di quanto necessario al funzionamento e un più facile ricambio del personale operante all’interno. È questo uno dei vantaggi del laboratorio rispetto ad altri, ospitati all’interno di miniere e quindi accessibili solo tramite grandi montacarichi.

Le sale sono servite da tutti gli impianti tecnologici e per la sicurezza che sono necessari per garantire ottime condizioni di lavoro al personale e per eseguire complesse attività sperimentali.

In prossimità del paese di Assergi, in un’area di circa dieci ettari nello splendido contesto del Parco nazionale del Gran Sasso, si trovano i laboratori esterni che ospitano officine e laboratori di supporto alla costruzione degli esperimenti, uffici, sale per conferenze e in generale molti servizi logistici.

L’utenza scientifica dei LNGS è composta di circa 950 scienziati e ingegneri di cui circa il 60% sono stranieri provenienti da quasi trenta paesi di tutto il mondo, a fronte di meno di un centinaio di persone INFN, compresi i borsisti. Per sua stessa natura l’attività scientifica di un centro di ricerca si svolge in un contesto ampio e internazionale e i LNGS e i meravigliosi luoghi del Parco in cui è immerso sono diventati un nodo di una vasta rete nazionale e internazionale attraverso cui passa un flusso continuo di informazioni scientifiche e tecniche, ma anche di relazioni umane e finanziarie.

Osservare l’ombra della luna e il sole di mezzanotte

L’aspirazione maggiore della fisica delle particelle è trovare un principio comune nella descrizione di tutti i fenomeni e unificare le interazioni fondamentali fino a descriverle con un’unica “legge”. Per quel che sappiamo, l’unificazione di tutte le forze avviene solo a energie elevatissime, pari a quelle presenti nell’universo neonato, che al momento non sono raggiungibili nemmeno nei più potenti acceleratori di particelle.

Fenomeni a una scala di energia molto alta possono però avvenire spontaneamente, anche se con estrema rarità. Un esempio è il decadimento del protone, l’elemento più stabile esistente in natura, la cui vita media è certamente superiore al valore limite misurato di circa 1033 anni. Alcuni modelli teorici nell’ambito della grande unificazione delle forze prevedono però che il protone possa decadere violando la legge di conservazione del numero barionico e, negli anni ’80, questo tema era diventato di grande attualità.

Eventi che avvengono molto di rado necessitano ovviamente, per essere rilevati, di un ambiente protetto. Si devono realizzare quindi esperimenti in laboratori sotterranei situati in miniere o in tunnel all’interno delle montagne, dove si può trovare riparo dalla pioggia incessante dei raggi cosmici che colpisce la superficie terrestre.

I raggi cosmici sono particelle che arrivano costantemente sulla Terra da tutte le direzioni del cosmo, ma soprattutto dalla nostra galassia. La loro energia può essere molto elevata, più alta di quella che si riesce a imprimere oggi alle particelle negli acceleratori. Nell’impatto con gli atomi dello strato superiore dell’atmosfera terrestre, questi raggi primari producono altre particelle, che a loro volta continuano a produrne ancora altre, che possono anche decadere in volo. Il processo di moltiplicazione crea un vero e proprio sciame, che continua a viaggiare quasi alla velocità della luce verso la superficie terrestre. Una buona percentuale di queste particelle secondarie è assorbita dall’atmosfera stessa, il resto raggiunge la Terra. La roccia terrestre assorbe più efficacemente dell’aria questi sciami di particelle e quindi i laboratori sotterranei diventano l’ambiente ideale per captare flebili segnali provenienti dal cosmo e, in generale, per studiare eventi rari, siano essi le deboli interazioni di neutrini e di particelle che potrebbero costituire la materia oscura dell’universo, oppure le reazioni nucleari che avvengono all’interno delle stelle e il decadimento doppio beta senza neutrini; tutti eventi che hanno una probabilità molto bassa di verificarsi.

Possiamo dire che i laboratori sotterranei garantiscono quel “silenzio cosmico” che permette l’apparente paradosso di studiare le stelle dall’interno di una montagna, di vedere l’ombra (dei raggi cosmici) della luna e il sole di mezzanotte grazie ai neutrini.

Mi auguro quindi che la visita del Presidente Mattarella sia di stimolo e incoraggiamento per mantenere un ruolo di leadership per il Laboratorio anche nei prossimi decenni.

La Cina sta finendo di realizzare una nuova grande infrastruttura di ricerca sotterranea e quindi i LNGS potrebbero presto perdere il primato di più grande laboratorio sotterraneo del mondo, ma se sapremo competere ai più alti livelli della ricerca, con esperimenti all’avanguardia, l’Italia potrà mantenere viva la scuola di fisica astro-particellare.

 

 

 

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