Il rapido sviluppo della Scienza cinese

Si è conclusa da pochi giorni a Stoccolma la cerimonia per la consegna dei premi Nobel 2015, assegnato per la fisica a Takaaki Kajita e Arthur B. McDonald per aver apportato contributi chiave allo studio delle oscillazioni dei neutrini, una metamorfosi che dimostra che queste particelle hanno una massa, ancorché piccolissima. Il Nobel riconosce ed evidenzia che lo studio del neutrino è uno degli argomenti più importantidella fisica moderna e che gli esperimenti volti a penetrarne la più intima natura sono alla frontiera della conoscenza nel complesso e affascinante mondo delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali.
I neutrinisono insieme ai fotonile particelle più numerose nell’universo di materia conosciuta, essi sono all’incirca un miliardo di volte più numerosi dei protoni e dei neutronidi tutte le stelle dell’universo. Elusivi come fantasmi, interagiscono pochissimo e sono quindi in grado di attraversare indenni la terra, lo spazio, arrivando sino a noi dagli angoli più remoti e nascosti dell’universo. Il loro studio assume una duplice valenza, argomento molto caldo per la fisica delle particelle elementari, ma anche messaggeri che ci possono portare utili informazioni sugli eventi cosmici catastrofici che li hanno generati, sul funzionamento delle stelle e sulla loro morte, o ancora sui primissimi istanti di vita dell’universo.
La storia della scoperta delle caratteristiche intrinseche del neutrino e del fenomeno delle oscillazioni, cioè della loro capacità di trasformarsi, come camaleonti, da un “sapore” a un altro, può essere visualizzata come un grande puzzle che i fisici hanno iniziato a costruire negli anni ’60. Ed esattamente come un puzzle, il disegno della natura si è svelato solo quando sono state incastrate un numero sufficiente di tessere. Le tante inserite sono il risultato delle ricerche effettuate nei laboratori sotterranei in Giappone, nell’America settentrionale, in Russia e in Italia ai Laboratori INFN del Gran Sasso (LNGS). Tuttavia il puzzle non è ancora completo e molto rimane ancora da scoprire.
Per rispondere alle domande ancora senza risposta su queste particelle molto peculiari e sul loro ruolo nell’evoluzione dell’universo, i cacciatori di neutrini stanno quindi preparando nuove tessere.
Spingere ancora più avanti la frontiera della conoscenza richiede però l’ideazione e realizzazione diesperimenti sempre più grandi, complessi e avanzati tecnologicamente. L’elusività dei neutrini, cioè la loro capacità di passare attraverso enormi spessori senza essere intercettati e fermati dagli urti con i nuclei del materiale attraversato o, come dicono i fisici, senza interagire, li rende delle eccezionali sonde per esplorare l’interno del sole e delle stelle in generale, ma ovviamente rende anche difficile la loro rilevazione e misura. I neutrini passano indenni anche i nostri apparati sperimentali e soli i pochi che nell’urto con il materiale attraversato si trasformano in altre particelle cariche, lasciano delle tracce che ci consentono di esaminarli.
Di conseguenza gli esperimenti che vogliono studiare i neutrini devono essere progettati per rispondere efficacemente a necessità di per sé contraddittorie: devono avere una massa enorme per massimizzare la probabilità che almeno un numero consistente di neutrini possa interagire, dall’altra parte carpirne le caratteristiche più nascoste richiede precisioni di misura sempre più spinte, rivelatori innovativi, strumenti e tecnologie in campo elettronico e informatico molto avanzate, non disponibili sul mercato, da definire con attività di ricerca e sviluppoin collaborazione anche con le industrie.
La realizzazione e conduzione degli esperimenti sui neutrini di prossima generazione è quindi una grande e complessa impresa scientifica che può nascere solo all’interno di una numerosa comunità di scienziati con competenze di elevatissimo livello su scala mondiale; è anche una grande impresa tecnologica che deve basarsi su solide e vaste conoscenze e su un substrato d’industrie ad alto valore innovativo. Infine è un’impresa che richiede un investimento finanziario dicentinaia di milioni di euro da destinare a uno specifico settore della ricerca di base, che com’è noto, ha come unico scopo quello di soddisfare le nostre innate e più profonde curiosità sul mondo fisico, che non si prefigge intenzionalmente nessuna apparente e immediata ricaduta sulla società e il suo benessere.
Ebbene, una tessera molto importante in questo processo conoscitivosarà posta da un esperimento cinese gigante,di nome JUNO, in questo momento in fase di progettazione,che sarà operativo entro il 2020 in un nuovo laboratorio sotterraneo che si sta scavando nel sud della Cina a 43 Km dalla città di Kaipingnella provincia di Guangdong.
JUNO utilizza le centrali nuclearia fissione per la produzione di energia come sorgenti artificiali di neutrini. I reattori nucleari, infatti, nei decadimenti β dei frammenti di fissioneemettono moltissimi antineutrini che possono poi essere rivelati mediante la reazione beta inversa: l’antineutrino elettronico interagendocon un protone del materiale del rivelatore genera un positrone e un neutrone. Il primo segnale arriva dall’interazione del positrone, seguito da un altro segnale ritardato con un tempo caratteristico causato dalla termalizzazione e succesiva cattura del neutrone. Questo doppio segnale è uno strumento molto utile per riconoscere il decadimento beta inverso dai segnali di fondo indotti da radioattività naturale.
L’esperimento sarà posto a una distanza ottimale rispetto a un nuovo complesso di centrali nucleari (Yangjiang and Taishan)che, quando saranno ultimate, porteranno a 35 GW la potenza complessiva dei reattori a disposizione dei fisici come sorgenti di antineutrini.
JUNO rappresenta l’evoluzione su scala molto maggiore di apparati più piccoli al momento operativi sempre in Cina (DayaBay), in Corea (Reno) e in Francia (Double Chooz). L’apparato sperimentale sarà costituito da un contenitore di circa 20000 tonnellate di scintillatore liquido in cui il passaggio delle particelle cariche genera l’emissione di deboli segnali luminosi che sono raccolti, amplificati e registrati tramite 15000 strumenti fotosensibili chiamati fotomoltiplicatori.Un numero così elevato è necessario per garantire un’adeguata risoluzione in energia nella misura degli eventi indotti dai neutrini.Il contenitore dello scintillatore è immerso in una grande vasca di acqua radio pura equipaggiata con rivelatori per la luce Cerenkov. Il rivelatore ad acqua esterno funge da schermo dalla radioattività ambientale e segnala in tempo reale il passaggio di raggi cosmici, essenzialmente muoni che sono una sorgente di eventi di fondo, insieme a un tetto di rivelatori a scintillatore solido posto sopra la vasca.
La necessità di avere a disposizione in tempi relativamente brevi un così alto numero di foto rivelatoriha stimolato un’attività di ricerca e sviluppo dell’industria cinese in questo settore che trova poi diverse applicazioni anche in altri campi come per esempio in quello della diagnostica medica per immagini. Al momento il quasi monopolio di questi rivelatori è in mano ai giapponesi.
JUNO sarà installato in un laboratorio sotterraneo con una copertura di 1500 mwe ora in fase di scavo, a gennaio 2015 si è celebrata in situ la cerimonia di posa della prima pietra eil completamento,comprensivo delle necessarie infrastrutture impiantistiche, è previsto in meno didue anni.
L’obiettivo principale è centrare il prossimo traguardo nella conoscenza delle caratteristiche del neutrino, capire cioè qual èl’ordine dei valoridelle masse dei tre neutrini conosciuti, di cui conosciamo al momento solo i tre valori delle differenze al quadrato.Sono possibili, infatti,due schemi diversi che sono identificati come gerarchia diretta e inversa.In aggiunta alla misura della gerarchia di massa l’esperimento potrà contribuire anche allo studiodei geo-antineutrini, collassi stellari, neutrini solari e altro ancora.
JUNO in realtà non sarà un esperimento esclusivamente cinese, ma sarà condotto in collaborazione con gruppi di ricerca europei e russi, compresa l’Italia,ben felici di avere l’opportunità di poter partecipare a questa grande impresa scientifica apportando l’esperienza e il know-how maturati in precedenti esperimenti nel campo della fisica dei neutrini, in particolare quelliacquisitinel Laboratorio INFN del Gran Sasso nell’ambito delle ricerche sui neutrini solari e i geo-antineutrini.
Rimane comunque una partecipazione largamente maggioritaria degli scienziati cinesi sia in termini numerici sia finanziari. Su un costo complessivo di realizzazione di circa 230 milioni di euro, il finanziamento cinese copre, infatti,il 92%e i gruppi cinesi rappresentano circa il 70% del totale dei partecipanti.A questo bisogna aggiungere 70M€ necessari per lo scavo e le infrastrutture del laboratorio che ospiterà l’esperimento,che sono a totale carico cinese.
Giusto per confronto il MIUR ha attribuito nell’ambito del FOE all’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare nel 2015 un finanziamento totale, costo del personale incluso, di 263 M€, e al più grande ente di ricerca pubblico italiano, il CNR, 563M€.
JUNO è quindi un grosso investimento affrontato sostanzialmente da un unico paese e di entità inimmaginabile al momento per una singola nazione europea. Nel campo della fisica del neutrino condotta con sorgenti artificiali,al momento neanche il CERN ha un suo programma specifico.Ha preferito dare solo la propria disponibilità come laboratorio di appoggio agli esperimenti del progetto statunitense DUNE, che tuttavia non è ancora arrivato alla fine del lungo processo di finanziamento. Gli altri progetti futuri a livello mondiale sono portati avanti dal Giappone e dalla Corea.
Sono ormai largamente evidenti la preponderanzae la superiorità asiatica nel campo delle ricerche dei neutrini, testimoniatetra l’altro dall’attribuzione del Nobel per la fisica 2015 che ha seguito di dodici anni quello attribuito al giapponeseMasatoshi Koshiba nel 2002. Credo quindi che nel futuro rappresenteremo i neutrini oltre che con il loro “sapore” anche con gli occhi a mandorla!
La mia personale e nettissima percezione di questa svolta nel panorama della fisica mondiale l’ho avuta durante la conferenza Neutrino2012 tenutasi a Kyoto, dove i piùimportanti risultati sono stati presentati dagli esperimenti DayaBay e Reno, assieme all’esperimento giapponese T2K che utilizza neutrini prodotti da un acceleratore. Erano i risultati da lungo attesi dai fisici sulla prima misura al mondo dell’angolo di mescolamento13 che interviene nella trasformazione dal sapore muonico al sapore elettronico dei neutrini e su cui fino a pochi anni fa esistevano solo previsioni teoriche.
Certamente alla comunità dei fisici mondiali presenti alla conferenza non sonosfuggitiquesto grande successo tutto orientale e soprattutto il grande progresso della scienza cinese e coreana degli ultimi decenni, conseguenza diretta e tangibile d’imponenti investimenti in ricerca e formazione superiore. In particolare tra i fisici italiani non sono mancati gli amari confronti con le cifre investite in rapporto al PIL in Italia nella ricerca scientifica nell’ultimo decennio.
Inevitabilmente il mio pensiero era andato alle impressioni ricevute durante la mia prima visita all’Accademia Cinese delle Scienze a Pechino nel 1990 e l’evidenza di come la situazione in Cina fosse drasticamente cambiata rispetto a quella da me osservata allora mi è balzata agli occhi. Incirca venti anni la Cina era passata da una posizione sostanzialmente marginale nel campo della fisica delle particelle elementari a eccellere in un settore all’avanguardia come quello dei neutrini che richiede elevate competenze e grandi investimenti.
Questa consapevolezza è progressivamente aumentata da quando ho deciso di unirmi ai fisici italiani che collaborano all’esperimento JUNO e ho avuto quindi l’opportunità di rifrequentare la Cina e la comunità dei fisici del neutrino cinesi.
Com’è stato possibile tutto ciò e in così breve tempo, nell’ambito di una sola generazione?
Il mio stupore arrivava ben ultimo dopo di quello degli economisti che avevano registrato la grande crescita economica del Paese o quello dei semplici visitatori delle grandi città cinesi dall’aspetto avveniristico. Ma c’è una profonda differenza: il settore della fisica del neutrino è scienza dura, difficile, non si basa sulla manodopera a basso costo, è puro avanzamento di conoscenza e richiede tecnologia avanzata.
L’unicaspiegazione di tale cambiamento è che la Cina ha investito massicciamente in questi decenni in ricerca e formazione.
Analizzando in particolare alcuni datistatistici dell’ultimo rapporto OECD (stats.oecd.org) si può notare che la Cina ha raddoppiato dal 2005 al 2013 gliinvestimenti in ricerca di base rispetto al prodotto interno lordopassando dallo 0,05 allo 0,1%; per confronto gli Stati Unitisono passati dallo 0,47 allo 0,48 e l’Italia dallo 0,29 allo 0,32.
Più in generale l’indicatore del GERD (Gross Domestic Expanditure on R&D) in rapporto al PIL per la Cina passa sempre negli stessi anni da 1,32 a 2,08, per gli Stati Uniti da 2,51 a 2,73 e per l’Italia da 1,05 a 1,26.
Il rapporto OECD 2014 sullo stato della scienza, tecnologia e industria (http://www.oecd.org/sti/oecd-science-technology-and-industry-outlook)prevede che la Cina possa superare l’Unione europea e gli Stati Uniti quanto a investimenti in Ricerca e Sviluppo per la fine del decennio. La recessione economica degli ultimi anni ha contratto gli investimenti in Europa e in America ed ha, di fatto, eroso il peso delle economie avanzate nel settore della ricerca scientifica e tecnologica,lanciando la Cina verso il traguardo di poter essere il maggior investitore in R&D per il 2019.
La strategia della Cina è cambiata anche per quello che concerne il capitale umano, non solo perché ci sono stati e continuano investimenti massicci in alta formazione con un numero crescente di laureati, ma in particolare nel campo della scienza di base si favorisce il rientro in Patria dei laureati all’estero. Se è vero che il 35% delle migliori università del mondo si trovano negli Stati Uniti,che producono anche il 26% dei migliori articoli scientifici, é chiaro che la Cina deve guadagnare ancora posizioni nella qualità dei suoi ricercatori. Tuttavia una maggiore tendenza dei laureati cinesi a ritornare in patria dopo aver conseguito la laurea potrebbe alla lunga avere conseguenze sulla ricerca americana che si basa da lungo tempo sul talento dei cervelli stranieri, e portare viceversa a un addizionale miglioramento della qualità media della ricerca cinese. Anche personalmente ho potuto notare nella collaborazione JUNO questo fenomeno del rientro dei cervelli laureatesi e perfezionatisi nelle migliori università americane o europee.
In conclusione investimenti crescenti in ricerca di base, alta formazione e una politica di forte sostegno al rientro dei cervelli sono alla base dello straordinario sviluppo scientifico cinese nell’arco di appena una generazione.
Lascio agli economisti le correlazioni tra questo progresso in campo scientifico e lo sviluppo economico e sociale del Paese. Tuttavia se dovessi azzardareuna mia personale valutazione in merito allerecenti preoccupazioni per il rallentamento dell’economia cinese, direi che finché la Cina continuerà a investire massicciamente in R&D e formazione il suo sviluppo rimarrà solido.