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La Fisica Nucleare

Enrico Fermi alla lavagna
Enrico Fermi alla lavagna

In questi giorni sto un po' ripensando all’assetto complessivo della mia materia, la Fisica Nucleare. Da un lato perchè sto cercando di convincere il governo inglese a dare una chance a me e alla materia (agli inglesi non piace molto, hanno chiuso tutto tempo fa), e dall’altro avevo qualcuno che potesse farmi da specchio.

8 anni fa chiesi ad Angela Bracco una tesi e iniziai a lavorare nel campo. Dopo tanti anni, un nuovo relatore, una conversione alla teoria, una specializzazione, un dottorato - il quale significa crisi, e fatica, sangue e sudore: mesi a lavorare 100 ore a settimana e mesi a cercarne il senso - a esso hanno poi fatto seguito due traslochi in due anni, diversi progetti e sogni.

Adesso provo un po' a riassumervi cosa ci sia di vero e bello in tutto questo.

La Fisica è lo studio dei fenomeni naturali, determinando cause e leggi che regolano tali fenomeni. La Fisica Nucleare è in particolare lo studio del nucleo atomico, che è composto da protoni e neutroni (collettivamente chiamati nucleoni) in un numero che va dalle poche unità alle poche centinaia, ed è piccolissimo rispetto alle dimensioni della nuvola degli elettroni che gli orbitano attorno componendo l’atomo. Nel mondo microscopico, un oggetto piccolo contiene individualmente più energia, e così anche per il nucleo atomico. Infatti un nucleone è legato al nucleo con un’energia migliaia o anche milioni di volte più intesa rispetto agli elettroni che formano l’atomo. Per questo che le applicazioni energetiche sono così promettenti e gli strumenti di studio, acceleratori di particelle e rivelatori, così affascinanti, ma la Fisica Nucleare non sono reattori nucleari o acceleratori!

Il numero di protoni, stabilisce la carica del nucleo, e quindi anche il numero di elettroni e l’elemento chimico (cosa estremamente importante per parlare di nucleosintesi). Il numero di neutroni influenza invece le proprietà nucleari e il peso atomico, inoltre denota gli “isotopi” di un certo elemento. Esistono circa un centinaio di elementi, a cui corrispondono circa 300 isotopi naturalmente presenti sulla Terra, ma più di 3000 ne sono stati prodotti nei laboratori di tutto il mondo. Molti di più ne saranno prodotti prossimamente, grazie anche agli acceleratori di “nuova generazione” come RIKEN e SPIRAL2 a GANIL in Francia.

Ho già accennato, assieme a una guida degli ordini di grandezza coinvolti nelle diverse descrizioni del nucleo, che in natura le interazioni fondamentali sono quattro: forte, elettromagnetica, debole e gravitazionale, in ordine di intesità. Quasi tutto quello che tecnologicamente utilizziamo sfrutta l’interazione elettromagnetica, coadiuvato a volte da quella gravitazionale. L’interazione elettromagnetica è l’unica che conosciamo, e controlliamo, pienamente. Grazie a essa abbiamo microprocessori che eseguono calcoli cambiando lo stato degli elettroni (ma anche il nostro cervello funziona così), batterie che immagazzinano energia attraverso la conservazione della carica elettrica (ma in realtà anche gli idrocarburi e il cibo sono metodi di imagazzinamento energetico basato sull’interazione elettromagnetica!), cristalli liquidi e altri materiali che rispondono direttamente a impulsi elettromagnetici costruendo schermi (o gli occhi), motori elettrici (così come i nostri muscoli) e altre interfacce, e infine onde elettromagnetiche che trasmettono informazioni condensando tutti questi principi nei nostri comunissimi cellulari (o in noi stessi!).

Tutto ciò che ci circonda, vivente e inanimato, utilizza come suo motore di funzionamento l’interazione elettromagnetica. Ed in fin dei conti tutta la fisica è stata dedotta in funzione di questa: idealmente potrebbe essere che per comprendere appieno le altre interazioni serva sviluppare altre fisiche, altre matematiche, altre logiche.

Invece nucleoni sono legati fra loro per formare il nucleo dall’interazione nucleare forte, la quale ha differenti proprietà che ancora non dominiamo. Ciò permette di sviluppare interessanti applicazioni, come body scanner, medicina nucleare e rivelatori per il fumo, ma è soprattutto qualcosa di terribilmente affascinante in sé: come dare un’occhiata all’altra metà del cielo.

E se il problema a tre corpi classico, la dinamica di tre corpi che interagiscono con una interazione semplice con un solo parametro noto (come quella gravitazionale o di Coulomb), non ha soluzione analitica generale ma deve ricorrere a semplificazioni di tipo numerico o approssimazioni, potete immaginare quanto sia formidabile il problema di 50, 100, 200 corpi quantistici correlati con una interazione ignota le cui parametrizzazioni hanno solitamente dagli 8 ai 18 parametri (la combinazione vincente del superenalotto ne necessita solo 6).

Siamo ben lontani, nonostante più di 100 anni di ricerche sull’argomento, dall’avere un modello preciso e predittivo del nucleo atomico che copra quella miriade di dati che 100 anni di esperimenti ci hanno fornito su più di 3000 isotopi a oggi prodotti. La precisione necessaria in questo problema formidabile è anche certosina, dato che tutti i 50, 100, 200 nucleoni contribuiscono alla configurazione che però avrà l’energia paragonabile a uno solo, o a una frazione di uno solo. Riuscire quindi ad ottenere un grezzo 20% di precisione su tale quantità significa in realtà avere il 20% su 1/100, ovvero lo 0.2% in termini assoluti!

ordini di grandezza nella rappresentazione del nucleo

Ordini di grandezza nella rappresentazione del nucleo

Da un lato, com’è intuibile dal discorso sopra, i progressi si muovono quindi verso due direzioni fra di loro legate: migliorare la comprensione e le rappresentazioni dell’interazione forte, e migliorare il trattamento del famoso problema a molti-corpi.

Il miglioramento della comprensione dell’interazione può essere cercato ai primi tre livelli della figura a destra: considerando i quark che formano protoni e neutroni (anch’essi soggetti all’interazione forte) ed esperimenti con singoli protoni e neutroni, modellizzando lo scambio di pioni (il portatore virtuale dell’interazione forte). Tuttavia, non c’è alcuna garanzia che l’interazione fra due nucleoni “all’interno del mezzo”, ovvero quando si mettono tanti nucleoni assieme e compatti nel nucleo, sia la stessa presente nel vuoto e che non venga modificata dalla presenza di così tanti vicini che influiscono. Inoltre, l’interazione forte, parametrizzata in modo realistico, poco si adatta al trattamento di quel famoso “problema a molti-corpi”, per motivi molto tecnici. Quindi, ci si può occupare anche di “interazioni efficaci”, che non necessariamente si collegano con quella realistica nel vuoto, ma cercano di riprodurre le proprietà del nucleo. Tuttavia, dovendo calibrare una dozzina di parametri, trovare la “combinazione vincente” è molto più difficile che vincere al lotto, aprire una cassaforte, o entrare nel sistema di sicurezza telematico di una banca!

Il problema a molti-corpi è un’affascinante tematica fisica, squisitamente quantistica (la controparte classica si denota n-corpi), che cerca di trovare le configurazioni del sistema nonostante questo sia possibile solo in maniera approssimata già nel più semplice caso dei 3 corpi classici. Tendenzialmente si procede separando i diversi ordini di grandezza (vedi figura) che intervengono nel sistema, e i diversi gradi di libertà, ovvero proprietà del sistema separabili e distinguibili. Nel caso dei nuclei queste sono, ad esempio, eccitazioni colletive dove tutto il sistema contribuisce. Esse sono le tipiche eccitazioni dei nuclei con un numero pari di neutroni e protoni, e di nucleone singolo dove un solo nucleone è identificabile. Queste due proprietà sono interdipendenti l’una dall’altra e considerare questa interdipendenza è il passo successivo nel trattamento del problema molti-corpi.

Ed il problema è estremamente generale! Ad esempio diversi importantissimi studi vengono eseguiti sulle proprietà dell’acqua: l’interazione elettromagnetica ha pochi segreti per noi ma il sistema a molti corpi di un liquido di molecole di acqua ha proprietà che ancora non dominiamo completamente, e che se sono fondamentali nei processi biologici, come il ripiegamento delle proteine.

Tuttavia, la questione non è banale specialmente nel caso nucleare: questo processo di separazione dei contributi - e il rimescolamento seguente necessario alla trattazione del sistema a molti corpi (ed è la mia tesi di dottorato) - è molto delicato. L’interazione su cui è fondato deve avere proprietà molto particolari per fare in modo che ciò sia consistente. Attualmente nessuna delle interazioni efficaci utilizzate per riprodurre le proprietà dei nuclei ha le caratteristiche opportune, ed il mio lavoro in Finlandia consiste nello svilupparne una. Ecco quindi che non solo la separazione fra i gradi di libertà è insufficiente a trattare il problema, ma anche separare l’interazione dal problema multicorpi e rieccoci a dover ri-affrontare il problema in tutta la sua complessità, con un bagaglio di conoscenze in più e con qualche anno in più sulle spalle.

Se “The whole universe is in a glass of wine” (l’intero universo e' in un bicchiere di vino), come disse Richard Feynman, appare ora evidente come l’intera Fisica sia ben rappresentata nel nucleo atomico e quanto possiamo ancora imparare studiandolo.

Insomma il nucleo atomico è un sistema estremamente complesso e affascinante, essere sballottati per il mondo per imparare i suoi molteplici segreti dai migliori del campo è il privilegio, e maledizione, di chi si innamora di questo turbinio di misteri. Certo, sarebbe anche bello avere prima o poi quantomeno la possibilità di tornare in Italia, ma questa è un’altra storia.

Comments

Comment by Hortensio on 2017-07-26 15:58:18 +0000

Bellissimo articolo, molte grazie!

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