Da Torino al CERN, studiando l'infinitamente piccolo

I traguardi della fisica delle particelle spiegati dalla professoressa Chiara Mariotti

La professoressa Chiara Mariotti

Fisica di formazione, collabora con diverse testate nazionali ed estere come giornalista e divulgatrice scientifica. Ha collaborato con molti Istituti di Ricerca e Osservatori Astronomici italiani e internazionali. Nel 2008 ha ricevuto il Premio “Voltolino” in giornalismo scientifico.

Perché la fisica delle particelle spera di trovare nell’infinitamente piccolo una semplicità e delle regole che possano spiegare la complessità della natura e dell’infinitamente grande.

Parole della professoressa Chiara Mariotti, fisica torinese che ha intrapreso i suoi studi professionali all'Università di Torino nello stesso anno in cui Carlo Rubbia veniva insignito del premio Nobel per la fisica e, quando ha inziato il suo lavoro di tesi di laurea presso l'Osmond Laboratory della Penn State University (Pennsylvania, USA), Rita Levi Montalcini ottenneva il premio Nobel per la medicina. Anni entusiasmanti che commenta come "un periodo emozionante in cui tutti abbiamo avuto la percezione che i nostri sogni di scoperte scientifiche potessero diventare realtà!".

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La strada per il CERN

Il percorso della dottoressa Mariotti inizia dal liceo scientifico di Chieri e prosegue a Torino con la tesi di laurea nel gruppo di Rosanna Cester (moglie del fisico Tullio Regge) su un esperimento presso il Fermilab di Chicago, un laboratorio di ricerca dedicato allo studio della fisica delle particelle elementari. Significativa l'esperienza in un’università della Pennsylvania a costruire un rivelatore; oggi parrebbe quasi la prassi per un ricercatore o una ricercatrice, ma come sottolinea lei stessa:

All’epoca era un mito andare negli Stati Uniti. È stata un’esperienza indimenticabile sotto tutti i punti di vista. In quegli anni mandare un'e-mail era ancora un evento più unico che raro!
Veduta aerea del CERN.

Una volta terminato il percorso del dottorato presso il Centro Europeo per la Ricerca Nucleare, più brevemente chiamato CERN, segue una borsa di studio post-Dottorato a Roma e infine il posto da ricercatore a Torino. Guardando al passato afferma:

Penso che l’amore per la scienza sia cresciuto poco a poco durante gli anni del liceo, grazie alle professoresse di fisica, di matematica e di chimica e a mio padre che è chimico. Mi piaceva affrontare e risolvere i problemi, mi piaceva il lato oggettivo della scienza.

Una passione rigorosa

Oltre che dai suoi studi la passione per la materia nacque anche grazie ai volumi scritti da fisici che raccontavano la loro vita ed esperienza: gli avvenimenti durante le loro ricerche, l'esaltazione nella risoluzione di un problema, l'amicizia e la forte relazione tra i colleghi. La scelta di lavorare nella fisica delle particelle elementari è stata determinata dal fascino che emana questo mondo complesso e vario, dove l’infinitamente piccolo veniva studiato con oggetti macroscopici.

Penso che la fisica sia una disciplina molto creativa. Necessita di avere continuamente idee originali, di essere ingegnosi per trovare soluzioni diverse, ma senza mai perdere il rigore matematico e scientifico.

Un rigore indispensabile e necessario, soprattutto quando si parla di grandi laboratori di particelle e del minuzioso lavoro che si svolge all’interno per scoprire da che cosa è costituita l’essenza della natura. Presso il CERN di Ginevra, la professoressa Mariotti arriva alla fine degli anni Ottanta e partecipa a tre esperimenti. Nel primo compie la sua tesi di dottorato: insieme ad un collega di Amsterdam misura con un metodo innovativo la distribuzione dei gluoni – le particelle elementari all’interno dei nuclei. I risultati ottenuti vengono utilizzati ancora oggi nella fisica nucleare e subnucleare. Dopo il dottorato entra nell’esperimento DELPHI, fisicamente installato presso un acceleratore del centro. In DELPHI ricopre diversi ruoli di responsabilità coordinando prima vari gruppi di analisi, poi tutta la fisica dell'esperimento. Dal 2000 lavora su altri esperimenti, sempre sulla comprensione dei costituenti elementari del nostro mondo, i cui nomi sono ancor più misteriosi ai profani e qui basti sapere che per avviare e mantenere queste ricerche e i relativi apparati sperimentali, sono coinvolte un grande numero di persone, circa tremila.

Il tunnel dell'acceleratore LEP al CERN di Ginevra.

Alla scoperta della materia

Ma come si studia la natura più infinitesima che ci circonda? Innanzitutto bisogna lavorare con macchine sofisticate che, come spiega la professoressa, prendono spunto dal classico microscopio. Per riassumere e semplificare possiamo fare un’analogia. La luce è un’onda elettromagnetica di cui i nostri occhi possono vedere solo una porzione limitata, ma

se vogliamo vedere più nel piccolo, dobbiamo poter diminuire la lunghezza d’onda. La meccanica quantistica [la teoria che attualmente spiega meglio i fenomeni atomici e subatomici, N.d.A.] ci dice che le particelle si comportano come delle onde e viceversa. La lunghezza d’onda è tanto più piccola quanto più grande è la sua energia. Quindi se acceleriamo una particella, la sua [energia aumenterà e la sua N.d.A.] lunghezza d’onda diminuirà, e quindi potrà esplorare regioni più piccole. Questo è il principio del microscopio elettronico, che accelerando elettroni, riesce a esplorare dimensioni dell’ordine delle molecole.

Ecco perché nei laboratori si utilizzano acceleratori di particelle sempre più potenti, per poter esplorare dimensioni subatomiche e per scoprire com’è fatta la materia.

Misurare con precisione è come andare a osservare con una lente di ingrandimento: capire se quello che ti sembra un punto, in realtà è un oggetto complesso.
Immagine al microscopio di polline prodotto da diverse varietà di piante, ingrandita circa 500 volte.

Tra Big Science e rilevatori

Avendo bisogno di enormi acceleratori e di conseguenza enormi apparati per misurare cosa succede durante la collisione delle particelle, è necessario costruire laboratori oggi irrealizzabili senza una collaborazione internazionale, molto personale e la disponibilità di grandi fondi: quello che si può definire "Big Science".

Rilevatore camera a bolle.
Un esperimento per indagare la natura ai nostri occhi invisibile, parte sempre da un’idea, in questo specifico caso l’idea è quella di accelerare particelle e mandarle in collisione con un bersaglio o con altre particelle.

L’energia di queste particelle accelerate si trasforma in massa, per la legge di Einstein la famosissima E=mc2, ovvero in altre particelle. Se noi misuriamo tutte le particelle prodotte dalla collisione, la loro identità, la loro velocità e direzione, riusciamo a capire cosa è successo al momento dell’urto e dunque a capire le leggi della fisica che regolano questi processi.

Dobbiamo poter misurare le particelle prodotte, e lo facciamo con quelli che noi chiamiamo rivelatori. Questi sfruttano l’interazione delle particelle con il materiale del rivelatore e ci permettono di vederle.

L’esempio più facile è quello della camera a bolle o della camera a nebbia: si tratta di un tipo di rivelatore che contiene al suo interno un liquido o un gas che viene attraversato dalle particelle prodotte nelle collisioni, le quali, prosegue la professoressa, attraversandolo lasciano una traccia, un po' come un aereo lascia una scia nel cielo.

Capire il mondo (e l'universo) a partire dalle particelle

La materia è formata da particelle elementari, cioè indivisibili, capire quali sono queste particelle e come interagiscono tra loro, ovvero quali sono le forze fondamentali di ciò che ci circonda, ci permette di comprendere le leggi che regolano la natura. E perfino scoprire cosa è successo al momento del Big-Bang, quando è nato l’Universo. Studiando l’astronomia o i raggi cosmici si osservano particelle ad alte energie, magari anche più alte di quelle che si possono riprodurre sulla Terra, ma la differenza è che con gli acceleratori si può riprodurre l’esperimento in laboratorio ed entro certi limiti decidere le energie e le condizioni al contorno. E se qualcuno guardando a questo chiedesse mai a cosa potrebbe servire tutto ciò, la professoressa ci ricorda che è sempre valida la risposta che diede un giorno Michael Faraday, scopritore dell’induzione elettromagnetica, il principio alla base dei motori elettrici, al Ministro delle finanze della regina Vittoria, mentre sbirciava nel suo laboratorio:

Carlo Rubbia, Premio nobel per la fisica 1984 assieme a Simon van der Meer per la rilevazione sperimentale dei bosoni W e Z.
Al momento non lo so, Sir, ma è assai probabile che in futuro ci metterete una tassa.

Da lì a breve la corrente elettrica andò poi a sostituire gli impianti di illuminazione a gas o a candela, come abbiamo raccontato parlando di Alessandro Cruto.

Per riassumere, i risultati che si ottengono nei laboratori di particelle sicuramente possono aiutare la comprensione della natura fatta nell’infinitamente piccolo, e di conseguenza quella del mondo macroscopico.

In effetti lo si è dimostrato molte volte: per esempio lo studio delle particelle W e Z, quelle scoperte da Rubbia nel 1983, ha permesso di capire come funziona il sole e la radioattività.

L'importanza di "parlare la stessa lingua"

Se molti di noi trovano difficile comprendere il linguaggio degli scienziati, occorre che gli scienziati stessi parlino e comprendano lo stesso “dialetto” scientifico. Proprio per ovviare a questi problemi Chiara Mariotti è leader, come fondatore e coordinatore, di un gruppo di lavoro dalla sigla parecchio oscura ai profani: LHC-Wide Higgs Cross Section. Fondato nel 2009 insieme al professor Giampiero Passarino dell’Università di Torino, doveva inizialmente preparare la comunità sperimentale e teorica ad una scoperta molto importante...

 …e così è successo! Dovevamo essere sicuri di usare tutti lo stesso linguaggio, nello specifico bisognava essere sicuri che quando si parlava di “Cross Section” [sezione d’urto, semplificando una quantità utile a definire le probabilità che avvengano interazioni tra particelle, N.d.A.], di massa, di larghezza, ecc. si sapesse esattamente a cosa ci stessimo riferendo, ovvero a quali equazioni, con le loro incertezze e così via.

Un lavoro intenso da parte del gruppo, di ben due anni, ripagato pienamente al momento della scoperta del “bosone di Higgs”: una particella teorizzata dal fisico Peter Higgs nel 1964 e scoperta al CERN tramite un acceleratore di particelle chiamato LHC (Large Hadron Collider) nel 2012 grazie a due esperimenti. Fu proprio grazie a questo, infatti, che si poté essere certi che i risultati fossero confrontabili quando vennero presentati al mondo intero, e così affermare che avevano osservato una nuova particella.

Giugno 2012, al CERN, durante la scoperta dell’Higgs. Da sinistra verso destra: Ivica Puljak (ora sindaco di Spalato, Croazia), Yves Sirois (ora direttore dell’LLR- Parigi), Daniele Benedetti (ora professore di liceo in Svizzera), Giovanni Petrucciani (CERN), Andrei Gritsan (professore a JHU-USA), Sara Bolognesi (ora dirigente di ricerca al CEA di Saclay – Parigi).
Scoprire una nuova particella è un’esperienza indimenticabile, che ti cambia la vita. Inoltre il bosone di Higgs è una particella unica per le sue caratteristiche. Se non ci fosse, il mondo non esisterebbe come lo conosciamo.

Dal punto di vista umano è stato ugualmente molto interessante, come fa notare la professoressa, perché gruppi di diversa formazione e cultura lavoravano insieme e dovevano collaborare, ma senza svelare i segreti dell’esperimento a cui appartenevano.

Ispirazione e collaborazione

C’era sempre una tensione fortissima, un’attesa ansiosa della scoperta che avrebbe scombussolato le vite dei fisici e le persone lavoravano con grande passione. Inizialmente il gruppo della “Cross Section” era costituito da una cinquantina di persone, poi si è man mano ingrandito fino a raggiungere circa 400 persone.

L’ispirazione certamente è sempre la componente maggiore che accompagna il lavoro di un fisico particellare, e quelli famosi hanno sempre concordato sul fatto che l’intuizione e l’immaginazione occupano un posto molto importante, più importante del pensiero logico, nella comprensione dei fenomeni naturali.

Ovviamente anche la miglior tecnologia permette di lavorare al meglio e avere risultati più chiari, più precisi, e magari prima degli altri e in particolare quello che conta molto nel loro mondo di “big science”, è la collaborazione internazionale:

Collaborare è andare al di là della somma delle parti.
Accademia delle scienze di Vienna (Austria), 31 ottobre 2013. Seminario per celebrare la scoperta dell’Higgs. Foto di Markus Friedl.

Materia e anti-materia

A marzo di quest’anno si sono aggiunte quattro nuove scoperte utilizzando l’acceleratore LHC del CERN, che vanno a sommarsi alle sessanta finora scoperte dal 2009, compreso il famoso bosone di Higgs, e viene naturale domandare alla professoressa quali siano, nel suo campo, i progressi scientifici di cui è entusiasta e soprattutto, dopo tutte queste scoperte, quali saranno le sfide per la prossima generazione dei suoi colleghi. Per comprendere meglio la sua risposta, bisogna fare una breve e semplificata premessa: il modello che ad oggi sembra descrivere al meglio il mondo che ci circonda si basa su quattro forze o interazioni, tre delle quali sono descritte nel cosiddetto "Modello Standard", per la professoressa tutto sembra partire dal fascino che emana proprio la storia di questo modello:

come in 60 anni si sia capito che il mondo sia fatto da particelle elementari che interagiscono tra di loro scambiandosi altre particelle, e che si siano trovate tutte queste particelle nei vari esperimenti, lo trovo un successo incredibile!

Ma come sempre in fisica, la risposta ad una domanda genera altre domande, più capiamo, più comprendiamo che ci sono mille altre cose da scoprire; ad esempio ci fa notare che ancora non si sa:

cosa ha fatto sì che il mondo sia fatto di materia e non di anti-materia, quando al momento del Big-Bang si avevano quantità uguali di entrambe. Non capiamo perché l’universo si espande e non capiamo che origine abbia il 95% dell’universo che non vediamo, che non è fatto di atomi, e che chiamiamo materia ed energia oscura.
All’esperimento CMS (100 metri sotto terra) all’LHC del CERN, luglio 2020. Foto © Lidia Vergnano.

Tra premi e riconoscimenti

A coronamento professionale recentemente Chiara Mariotti è stata insignita di un importante premio intitolato alla grande matematica del secolo passato Emmy Noether e conferito alle scienziate che si sono distinte nel loro campo. Ricevere questo riconoscimento per la dottoressa è stata un’emozione e una soddisfazione enorme, essendo anche l’unico premio a livello europeo assegnato per la scoperta dell’Higgs, dopo il premio Nobel del 2013 a Englert e Higgs. Questo premio le riconosce tre contributi fondamentali: il contributo eccezionale alla scoperta e caratterizzazione del bosone di Higgs; il ruolo di leader come fondatrice e coordinatrice dell’LHC XC WG (il nome ufficiale del gruppo del “Cross Section”) e le impressionanti capacità nel formare le giovani generazione di fisici.

Chiara Mariotti con il prestigioso premio “Emmy Noether”.
Mi ha dato molta soddisfazione come abbiano riconosciuto non solo il ruolo scientifico che ho avuto nella scoperta dell’Higgs, ma anche nella formazione degli studenti. Devo anche ammettere che mi ha cambiato un bel po’ la vita lavorativa, perché ho poi ricevuto moltissimi inviti per entrare in commissioni di ricerca, per selezionare progetti e giovani, poi inviti a seminari, lezioni nelle scuole e molte altre attività. Ho anche fatto un film (“MASS” di June Balthazard e Pierre Pauze) recentemente presentato insieme ad un’opera d’arte alla biennale di arte contemporanea di Taipei. Un’esperienza del tutto nuova per me!

Non solo fisica

Pare incredibile, ma nel corso della sua carriera la professoressa non ha mai avuto momenti di frustrazione scientifica, qualche momento difficile sì, in quei giorni in cui sembra che niente funzioni e poi, a forza di cercare e di inventare soluzioni nuove, finalmente si riesce a fare un passo avanti. Il suo unico periodo veramente critico è arrivato dopo la scoperta del bosone di Higgs.

Dopo diciassette anni di ricerche finalmente lo avevamo trovato e mi sono sentita stanchissima, senza più la forte motivazione che mi aveva portato fin lì. Stanca perché gli ultimi quattro anni erano stati intensi, sempre in prima fila, con responsabilità importanti. E poi tutto d’un tratto, tutto il tuo cercare non c’è più e ti ritrovi senza un obiettivo chiaro e preciso davanti.

Per superarlo ha ripreso a suonare il flauto traverso, studiato al Conservatorio di Torino durante gli anni del liceo.

Ho preso lezioni e sono entrata nell’orchestra del paese. Dopo qualche anno mi sono diplomata alla federazione musicale francese e ora suono anche in una orchestra della regione dove una buona parte sono dei professionisti. Suonare e fare fisica hanno in effetti molte cose in comune!
Davanti all’esperimento CMS all’LHC del CERN, in settembre 2014, per il concerto dei 60 anni del CERN. Video: https://www.youtube.com/watch?v=gPmQcviT-R4. Foto di Domenico Vicinanza (il compositore della musica suonata).

Vivendo all’estero, anche per un lavoro così affascinante, sicuramente si sente la nostalgia della famiglia, degli amici o delle piccole abitudini cittadine e anche perché no del buon cibo piemontese.

Quello che mi fa venire voglia di lavorare ogni mattina è il fatto che ogni giorno si affronti una nuova sfida, si debba trovare una nuova soluzione. Il lavoro è molto vario e si ha molta libertà di scegliere tra le attività all’interno di un esperimento.

👍 Grazie e buona ricerca su com’è fatta la natura che ci circonda ogni giorno!

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