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Conosco Giuliana da un bel po’ di tempo, avendo frequentato con lei la Facoltà di Fisica a Napoli e, dopo molto tempo, ho avuto modo di incontrarla, sia pur telefonicamente.
Un incontro che, come leggerete, è un racconto di scoperte, di “fare ricerca”, di passaggi storici che a cui lei stessa ha partecipato e che ci spiega con dovizia di particolari.

Giuliana Fiorillo  è professore ordinario di fisica nucleare e subnucleare all’Università Federico II di Napoli. Si occupa di astrofisica delle particelle, di fisica del neutrino e di fisica sperimentale delle particelle. Ha partecipato a esperimenti internazionali al CERN di Ginevra, a J-PARC in Giappone, ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) e a SNOLAB in Canada.
È coordinatrice italiana dell’esperimento DarkSide per la ricerca di materia oscura e deputy Spokesperson della collaborazione internazionale..
È membro del comitato scientifico del CERN per gli esperimenti con gli acceleratori SPS e PS.
E’ autrice di oltre 200 pubblicazioni scientifiche su rivista. Nel 2018 ha pubblicato insieme a Nicolao Fornengo dell’Università di Torino il volumetto “La materia oscura e l’energia oscura”, edito da RCS MediaGroup e distribuito col Corriere della Sera.

Giuliana Fiorillo

Giuliana, ci dici cosa fai tu nella vita?
Faccio il fisico delle astroparticelle, sono professore alla “Federico II” nel dipartimento di Fisica e mi occupo di ricerca della materia oscura.

Parole bellissime e misteriose: astroparticelle e materia oscura. Di cosa stiamo parlando?
Dunque… vuoi che ti racconti come mi sono avvicinata a questo argomento?
Certamente
Sin dagli inizi dei miei studi universitari sono stata affascinata da un tipo di Fisica che è alla frontiera della Fisica delle Particelle. All’epoca, dei vari argomenti su cui potevano essere svolte attività di ricerca fondamentale, la Fisica del neutrino era quello meno di moda. Nel 1989 era appena partito al CERN il LEP, un collisionatore di elettroni e positroni (scontro tra particelle di materia e antimateria ad energia molto elevata), per produrre nuove particelle che normalmente non si trovano nella radioattività naturale, o nei raggi cosmici, cioè nella radiazione che incide su di noi dal cosmo.
Lo scopo di questi esperimenti è di cercare di capire la struttura fondamentale dell’Universo, ricreando in qualche modo le condizioni che dovevano esserci nell’Universo primordiale, quando la materia era concentrata in uno spazio piccolissimo ad un’energia media più elevata rispetto ad adesso. In queste condizioni è possibile vedere particelle che non vediamo nella radiazione naturale. C’era una grandissima focalizzazione internazionale della ricerca su questi argomenti, che richiedeva grossi sforzi umani ed economici della comunità di ricerca.
Il neutrino però è altrettanto interessante. È una particella un po’ evanescente: nonostante ce ne siano tantissimi che arrivano dai raggi cosmici o dal Sole, la Fisica, cioè le leggi che ne governano le interazioni, è ancora tutta da investigare.

Ricordiamo che nel 2015 i professori Kajita e McDonald hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica per le oscillazioni dei neutrini.
Sì. Il Premio Nobel è stato conferito per scoperte avvenute a cavallo del millennio: la prima osservazione dell’oscillazione dei neutrini è del 1998, con l’esperimento Super-Kamiokande, nella miniera di Kamioka, in Giappone, gestito da Kajita, e subito dopo, nel 2001-2002, ci furono le prime pubblicazioni dell’altro esperimento SNO (Sudbury Neutrino Observatory), canadese, diretto da McDonald. Questi due esperimenti che studiavano neutrini di origine naturale (uno i neutrini atmosferici e l’altro quelli solari) hanno dimostrato il fenomeno molto peculiare delle oscillazioni dei neutrini. E io, nel decennio precedente, mi ero occupata di cercare di dimostrare l’esistenza di questo fenomeno con un esperimento agli acceleratori, ossia con neutrini prodotti artificialmente. Purtroppo, il mio esperimento non riuscì ad arrivare a questa conclusione, ma in quegli anni ci riuscirono questi altri due esperimenti che usavano neutrini provenienti dal cosmo. Una circostanza che mi ha fatto riflettere.
Intorno a quegli anni inoltre si parlava molto di espansione dell’Universo. Ricordo un paio di copertine di Science che ogni anno pubblica il “Breakthrough of the Year” – la “Scoperta dell’anno” – e mi sembra che proprio nel 1998 la scoperta riguardasse l’osservazione delle Supernovae lontane, da cui risulta che l’espansione dell’Universo è in una fase di accelerazione. Noi osserviamo che l’Universo si espande come conseguenza del Big Bang e ci aspettiamo che ad un certo punto, per l’attrazione gravitazionale, questa espansione rallenti (la gravitazione è una forza sempre attrattiva e tende ad attrarre oggetti che hanno una massa); invece in quegli anni i dati mostravano un quadro molto diverso, avvalorando un modello di Universo che le equazioni della Relatività Generale di Einstein descrivono solo supponendo l’esistenza di due componenti che noi non conosciamo e di cui non abbiamo alcun’altra esperienza diretta se non questa dell’osservazione astrofisica, cosmologica dell’Universo. Queste due entità, che non sappiamo definire, sono l’energia oscura e la materia oscura. A quei tempi il termine “oscuro” non si utilizzava come oggi; non che non si fosse già ipotizzata la presenza di materia oscura nell’Universo.
Dal punto di vista astrofisico c’è bisogno di immaginare che ci sia del materiale “invisibile” nelle galassie o negli ammassi di galassie per giustificare il moto delle stelle. Osservando questo moto, tipicamente circolare o ellittico intorno al centro della galassia, si è in grado di mettere in relazione la velocità delle stelle con la quantità di materia presente in quella galassia. Però la Legge di Newton non riesce a descrivere i moti osservati, a meno di supporre che ci sia una quantità di massa molto maggiore all’interno della galassia rispetto a quella che osserviamo. Attenzione che quando diciamo “osserviamo” intendiamo non solo tramite la radiazione che riveliamo nello spettro visibile, ma anche in altre parti dello spettro elettromagnetico (come l’infrarosso o l’ultravioletto). Gli astrofisici avevano già ipotizzato l’esistenza di materia oscura, ma si tendeva a credere che la massa mancante fosse attribuibile a stelle poco luminose, come le nane brune, o a buchi neri, che non emettono luce ma hanno una massa. Le osservazioni fatte alla fine degli anni ’90 riguardavano l’Universo a scale molto più grandi di quella delle singole galassie o degli ammassi di galassie. L’osservazione fondamentale che abbiamo sulla dinamica di espansione cosmologica viene dalla radiazione cosmica di fondo, che è un bagno di fotoni di bassa energia che pervade l’intero Universo in maniera molto uniforme, ma non completamente: ci sono dei punti un po’ più caldi e dei punti più freddi in questa radiazione, e la distribuzione di queste fluttuazioni intorno al valore medio di temperatura del gas di fotoni è perfettamente descrivibile da un modello che oggi prende il nome di modello cosmologico standard (standard perché è un modello impressionantemente in accordo coi dati sperimentali, quindi molto attendibile). Il modello prevede però che la materia oscura, che giustificherebbe sia l’evoluzione cosmologica che le osservazioni astrofisiche, sia di fatto molto diversa dal resto della materia che abbiamo nell’Universo.

Giuliana Fiorillo

Giuliana, parlaci di questo modello.
Partiamo dalla materia ordinaria. Cos’è? È tutto quello che è costituito dagli stessi componenti di cui siamo fatti noi: gli atomi, le stelle, i gas e qualunque cosa osserviamo tramite l’interazione elettromagnetica, cioè essenzialmente elettroni, protoni, neutroni e combinazioni dei loro componenti.
Abbiamo diverse misure fatte in campi molto lontani l’uno dall’altro: dalle Supernovae alla radiazione cosmica di fondo, dall’osservazione dei moti astrofisici delle stelle fino alle reazioni nucleari che avvengono all’interno delle stelle. Tutto è in accordo con un modello che dice che di elettroni, protoni e neutroni nell’universo ce ne sono pochi: se facciamo 100 il bilancio della materia e dell’energia contenuta nel nostro universo, la materia che conosciamo noi occupa il 4% soltanto; tutto il resto non sappiamo cosa sia. Abbiamo questo fantastico modello che descrive tutto: quando dico “tutto” intendo su scale dal molto piccolo al molto grande. Il modello è anche abbastanza robusto perché si basa sulla Relatività Generale di Einstein (che è una teoria in grado di spiegare tutti i fenomeni che osserviamo su scala cosmologica e astrofisica) e sul Modello Standard delle Particelle Elementari (che spiega in maniera estremamente precisa le interazioni tra particelle, in accordo anche con tutte le misure fatte agli acceleratori).
Il risultato è il modello cosmologico standard. Secondo questo modello il 70% del contenuto dell’Universo sarebbe costituito da “energia oscura”, una componente che esercita una gravitazione al contrario, cioè tende ad allontanare la materia invece che ad attirarla, e questa sarebbe responsabile dell’accelerazione dell’espansione universale di cui parlavo prima, e il 25% circa sarebbe invece materia oscura, ossia materia che agisce gravitazionalmente in modo simile alla materia ordinaria ma diversamente da questa è non barionica, cioè non è fatta come i protoni e i neutroni. Questo è l’argomento della mia ricerca.

A partire dall’inizio degli anni 2000 si sono ottenuti risultati sperimentali importantissimi con gli esperimenti che si svolgono su satelliti nello spazio, tra cui quelli che osservano la radiazione cosmica di fondo, i quali ci danno un quadro estremamente preciso del contenuto dell’Universo. Io ne sono stata molto colpita perché venivo dalla fisica agli acceleratori di particelle, con cui si ottengono delle misure veramente molto precise, ed ero abituata a considerare le osservazioni astrofisiche come molto imprecise; invece queste osservazioni cosmologiche hanno una precisione elevatissima! Alcuni fisici delle particelle hanno deciso di migrare verso la cosmologia, portando la loro expertise, le loro competenze tecnologiche, la loro strumentazione molto precisa, nello spazio. Altri, come me, hanno scelto una strada diversa.

Per spiegare che cos’è la materia oscura (quindi, di che natura è fatta), come fisico delle particelle ovviamente tendo a cercare un nuovo componente fondamentale della Natura che possa essere inserito nel Modello Standard delle particelle e delle interazioni fondamentali e che possa spiegare il comportamento dell’Universo dal lato delle particelle elementari. La nuova Teoria è ancora a livello di modello, cioè non è completa. In Fisica si passa da un modello che descrive i fatti ad una teoria predittiva tramite appunto la formalizzazione di quello che osserviamo in una struttura matematica più ampia che è in grado anche di fare delle previsioni sulle osservazioni che si possono fare.

Così nasce una Teoria Fisica
Esattamente. Sentivo di partecipare al momento in cui nasceva una nuova Teoria fisica più ampia di quella che avevo studiato all’università e sulla quale stavo lavorando e quindi per me è stata un’evoluzione naturale passare dal neutrino (che era la più evanescente, seppur ancora tra le particelle del Modello Standard) alla ricerca della “materia oscura”, una cosa nuova che ancora non si conosceva (e che ancora oggi non si conosce).
Il neutrino interagisce molto poco con la materia, ma interagisce. Durante la mia formazione proprio al CERN ho imparato a produrre i neutrini, a creare dei fasci di neutrini molto intensi, a farli interagire costruendo dei rivelatori-bersaglio molto grandi (per aumentare di molto la probabilità di interazione); ancora oggi partecipo ad esperimenti con i neutrini, collaborando sia con Kajita che con McDonald, che tu hai citato prima. Kajita è membro come me della collaborazione internazionale T2K che svolge un esperimento in Giappone. Si utilizzano neutrini prodotti all’acceleratore esattamente come facevamo noi al CERN, però questa volta inviandoli ad un rivelatore molto lontano, a 300 km di distanza attraverso la crosta terrestre, lo stesso che a suo tempo prese il premio Nobel per i neutrini atmosferici e cioè il Super- Kamiokande: un grosso bidone pieno di acqua, equipaggiato con sensori ottici che rivelano le interazioni dei neutrini. McDonald d’altro canto ha avuto un’evoluzione simile alla mia nel senso che anche lui ha iniziato, dopo la conclusione dell’esperimento SNO, a sviluppare tecniche che potessero identificare la natura della materia oscura; anche lui ha fatto questo salto dai neutrini alla materia oscura fondando un esperimento basato su un gas naturale, l’Argon, che troviamo in tutte le lampadine elettriche vecchio stile e che è contenuto nell’aria.

Adesso ti racconto una storia che trovo interessantissima. Questa avventura è iniziata una quindicina d’anni fa. Il filo conduttore è l’Argon. L’Argon ha delle proprietà molto particolari. I processi rari, come le interazioni dei neutrini, sono difficili da osservare; gli strumenti che si usano per rivelarli (si chiamano rivelatori) sfruttano alcune caratteristiche particolari dei materiali di cui sono fatti. L’Argon per esempio ha la proprietà che quando una particella interagisce (cioè provoca una reazione di qualunque tipo – nucleare, debole, elettromagnetica) con i suoi atomi questi si eccitano e quindi si diseccitano emettendo una radiazione luminosa, ossia fotoni. Questi fotoni possono essere ovviamente rivelati con dei fotosensori (cioè dei sensori ottici) e portano informazioni non solo sull’energia rilasciata nell’interazione, ma anche sull’identità della particella che ha generato l’interazione. Questa caratteristica propria di molti elementi è stata sfruttata per anni nella Fisica delle Particelle Elementari. L’esperimento di McDonald – ed anche il mio – la usano per identificare le possibili rare interazioni di materia oscura. Inoltre nell’interazione con l’Argon una particella può produrre elettroni, i quali anche possono essere raccolti e portare informazioni sull’interazione. I rivelatori di questo tipo sono stati sviluppati sin dagli anni ’70, col primo articolo in cui si proponeva l’uso dell’Argon per la fisica del neutrino datato 1977. L’autore di quell’articolo era Carlo Rubbia, italiano, premio Nobel per la Fisica nel 1984.

C’eravamo appena iscritti all’Università
Esatto. Seguii alla Facoltà di Ingegneria un seminario di Rubbia e fui affascinata dalle sue parole. Qualche anno dopo, negli anni ’90, mi trovavo al CERN per svolgere la mia tesi di laurea sui neutrini e mi capitò di partecipare a una cena; in quel periodo Rubbia era il direttore del CERN ed era a quel ricevimento; ci presentammo, scambiammo due parole e lui mi chiese di che cosa mi occupassi e gli risposi dei neutrini all’acceleratore; lui fece una battuta non proprio incoraggiante e poi andò via. Questo il mio primo incontro con Carlo Rubbia. Quando nel 2002 Art McDonald pubblicò i risultati del suo esperimento (che gli frutterà il premio Nobel nel 2015), a me sembrò un colpo di genio perché quell’esperimento in pochi mesi aveva dimostrato in maniera definitiva la natura delle oscillazioni di neutrino che era stato argomento di dibattito accesissimo nei 10 anni precedenti. Decisi che era il momento di passare a studiare le astroparticelle.
Stavolta mi unii all’esperimento che Rubbia stava preparando per studiare le oscillazioni di neutrino ed al contempo osservare i neutrini atmosferici, solari e quelli prodotti nelle esplosioni di Supernova: un esperimento basato sull’Argon ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, collocati nel ventre della montagna sotto 1.400 m di roccia. Il bersaglio era costituito da 700 tonnellate di Argon liquido; l’Argon liquefa alla temperatura di circa -190 gradi centigradi, quindi il contenitore deve essere criogenico, cioè deve mantenere il freddo. Il criostato contenente il rivelatore viene nascosto sotto centinaia di metri di roccia, perché, in questo modo, la radiazione cosmica che provoca rumore viene “filtrata” dalla roccia, e i neutrini astrofisici possono essere rivelati dall’Argon senza rumore di fondo. È bene chiarire che le interazioni dovute alla radiazione cosmica sono eventi assolutamente naturali che si verificano moltissime volte al giorno: noi stessi veniamo attraversati da raggi cosmici e da neutrini, senza che questi ci creino alcun problema. D’altra parte sotto lo schermo del Gran Sasso è possibile pensare di rivelare anche i rarissimi eventi prodotti eventualmente dalla materia oscura che pervade la Via Lattea. Dunque insieme all’esperimento sui neutrini, Rubbia stava anche studiando la possibilità di utilizzare la stessa tecnologia per un altro esperimento ottimizzato per la ricerca della materia oscura cui mi propose di partecipare. Risposi subito di sì e misi in piedi il mio gruppo; era la prima volta che mi distaccavo dalla linea di ricerca che avevo seguito per la tesi di laurea, per quella di dottorato e così via, e iniziai a mettere in piedi la mia nuova attività insieme a Rubbia. Quest’attività proseguì negli anni successivi con l’obiettivo di realizzare un esperimento molto sensibile al laboratorio del Gran Sasso, iniziando con un piccolo prototipo da soli 2 litri! Nei 10 anni che seguirono costruimmo in effetti un rivelatore abbastanza grande, contenente 8 tonnellate di Argon, che doveva indagare la materia oscura. Operativamente questo rivelatore ebbe però dei problemi tecnici e l’esperimento fu fermato.
Nel frattempo l’altro rivelatore, quello per neutrini, doveva essere trasportato al Fermilab (il più grande laboratorio di ricerca degli Stati Uniti, sede di un fascio di neutrini prodotti all’acceleratore) e Rubbia concentrò su quello le attività del suo gruppo. Non volli seguirlo in questa occasione e, grazie al supporto dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), che è il maggiore ente finanziatore di questo tipo di ricerca in Italia (ma direi anche uno dei maggiori del mondo o addirittura forse il primo, in questo particolare settore), potei continuare la ricerca di materia oscura al Gran Sasso. Lo feci in collaborazione con l’università di Princeton. Lì c’era un giovane ricercatore – Cristian Galbiati – anche lui coinvolto nell’esperimento sulla materia oscura, che aveva coagulato un certo interesse in varie università americane per sviluppare la tecnologia dell’Argon liquido. Insomma, si formò una collaborazione, piccola all’epoca, battezzata DarkSide – il lato oscuro.

Il lato oscuro ci ricorda un bellissimo disco dei Pink Floyd, “The Dark Side Of The Moon”
Eh eh, è così, o anche Guerre Stellari col “Lato oscuro della Forza”! Abbiamo iniziato a prendere dati col nostro esperimento nel 2013 e oggi, nel 2020, la nostra collaborazione include tutti i fisici attivi nel mondo nel campo della ricerca di materia oscura con Argon, fra cui lo stesso Art McDonald che stava sviluppando una tecnologia simile nel laboratorio canadese di Sudbury; vedendo la bontà della nostra proposta, ha deciso di aderire al nostro progetto portando con lui tutta la comunità canadese. Dal lato europeo si sono uniti gli spagnoli che avevano un loro progetto, i francesi, i polacchi, i russi, gli inglesi, i brasiliani, …

insomma tutta la comunità mondiale ha permesso a questi signori di venire a fare le cose belle in Italia!
Oggi siamo 350 ricercatori, più di 70 istituzioni straniere e italiane. “DarkSide” è uno dei più importanti progetti INFN, che lo considera l’esperimento bandiera per il proprio laboratorio del Gran Sasso per i prossimi dieci anni. Ben 17 fra università e laboratori italiani partecipano a questo esperimento, di cui io sono il coordinatore italiano, mentre a livello internazionale coadiuvo Cristian alla sua guida. È una grandissima soddisfazione per me che quest’idea che nacque così, con un esperimento di due litri di Argon e con un patron come Carlo Rubbia, abbia finalmente trovato la dimensione giusta a livello mondiale. Se sei interessato ti racconto alcuni aspetti peculiari di DarkSide che lo rendono davvero un caso da studiare.

Ma questo sarà argomento del prosieguo dell’intervista alla prof Giuliana Fiorillo.

Enrico Cirillo

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