SEMINARI DI FISICA
EDIZIONE 2017

Anche quest’anno a Città della Scienza di Napoli si sono tenuti i seminari divulgativi dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e del dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Federico II. I seminari, rivolti agli studenti delle scuole superiori, hanno trattato di argomenti che spaziano in tutti gli ambiti di ricerca dell’INFN e del Dipartimento e raccontano le problematiche più affascinanti e cruciali della fisica moderna: dal macro al micro-microsmo; dallo studio dei neutrini alla scoperta del bosone di Higgs e al concetto di massa; dal concetto di energia alla fisica delle stelle e dei fenomeni più catastrofici dell’Universo. L’iniziativa riscuote ogni anno notevole successo.

Prof. Francesco Tafuri, Università degli Studi di Napoli Federico II

Uno sviluppo sostenibile della società non può prescindere dalla scienza e dalle soluzioni che solamente la conoscenza può offrire. La teoria quantistica è probabilmente uno dei più potenti risultati della mente umana. Offre una visione coerente del mondo microscopico insieme a leggi che governano l’evoluzione dell’Universo nel suo complesso, fornendo al tempo stesso un’impressionante serie di potenti soluzioni tecnologiche. Nonostante il suo successo, la fisica quantistica sembra strana perché le sue leggi sono contro la nostra visione intuitiva della realtà.

Noi discuteremo come i fenomeni di superconduttività costituiscono un prezioso riferimento per comprendere aspetti macroscopici della meccanica quantistica. La superconduttività è un effetto quantistico spettacolare per cui la corrente elettrica fluisce attraverso un conduttore senza perdita di energia alcuna dissipazione. Dimostreremo come i superconduttori opportunamente ingegnerizzati in dispositivi innovativi catturano processi e codici quantistici che emergono a livello macroscopico. Le stranezze della meccanica quantistica diventano tangibili, un oggetto macroscopico può superare una barriera per effetto tunnel per esempio, analogamente a come Harry Potter attraversa il muro del binario 9 e 3/4 a King’s Cross. I progressi tecnologici aprono la strada per la manipolazione diretta e il controllo di tali stranezze, promettendo una più ampia diffusione delle tecnologie quantistiche dalla comunicazione ai sensori e computer quantistici.

Prof. Giuseppe Longo (Università degli Studi di Napoli Federico II)

Gli alieni da sempre occupano un gran spazio nell’immaginario collettivo ed hanno portato a fenomeni di speculazioni pseudoscientifiche e superstizioni. La conferenza sarà articolata in due parti: nella prima si traccerà brevemente una sintesi delle teorie pluraliste che, iniziate in epoca greca e passate per Giordano Bruno, continuano a trovare spazio nelle attuali speculazioni sugli UFO. La seconda parte si occuperà
invece degli aspetti scientifici del problema e si occuperà degli sforzi che si stanno attualmente facendo per cercare di rivelare i primi segnali radio e ottici provenienti da eventuali e molto probabili civiltà aliene.

Prof. Carlo Altucci, Università degli Studi di Napoli Federico II

L’interazione tra la luce e la materia, di fondamentale importanza in molti campi della Scienza e della Tecnologia, dalla Fisica alla Chimica a molti settori dell’Ingegneria, in anni più recenti ha trovato un ruolo primario al centro di molti fondamentali processi delle Scienze della Vita. Ad esempio, si è scoperto che si possono usare impulsi di luce molto brevi per filmare o guidare le interazioni tra DNA e proteine e proteina-proteina all’interno di cellule vive, umane e non. Un altro campo molto promettente è costituito dalla nano-biofotonica nel quale si studiano le interazioni tra la materia, spesso biologica, e la luce alla scala spaziale nanometrica, quella atomica e sub-atomica, dove le proprietà della materia assumono caratteristiche diverse da quelle ordinarie. Queste caratteristiche sono estremamente utili in campi fondamentali quali l’energetica (fotovoltaico), lo sviluppo sostenibile e la tutela dell’ambiente (sensing e bio-sensing) e Scienze della Vita più di frontiera come la Genomica, la Proteomica e l’Epigenomica (le cosiddette “Omics Science”).

Dr. Alberto Porzio, CNR – SPIN, Napoli

Sin dall’antichità l’uomo ha costruito macchine che potessero aiutarlo nei calcoli. Successivamente ha cominciato ad usare i numeri per codificare, immagazzinare e trasmettere le informazioni. Nei tempi moderni le due funzioni si sono fuse negli attuali computer. Oggi la comunità scientifica è impegnata nello studiare come e fino a che punto sia possibile oltrepassare le potenzialità dei computer sfruttando le peculiarità della natura quantistica della materia che ci circonda realizzando quello che viene detto il computer quantistico.

In questo seminario proveremo a capire come e perché sfruttando i paradossi della meccanica quantistica sia possibile realizzare sistemi in grado di svolgere compiti oggi proibiti ai nostri computer. Si mostreranno i principi di funzionamento e i limiti intrinseci e tecnologici che, per ora, precludono la produzione di computer quantistici su larga scala.

Infine, parleremo del paradosso EPR e del concetto di entanglement quale principale mattone della computazione quantistica.

Prof. Pietro Santorelli, Università degli Studi di Napoli Federico II

La massa è una grandezza fisica la cui natura è ancora oggi oggetto di ricerca. Il concetto di massa fu introdotto per la prima volta da Newton nel 1687 e nella meccanica classica il termine è stato usato per indicare due grandezze fisiche, in principio differenti, la massa inerziale e quella gravitazionale. Numerosi esperimenti hanno confermato con grande precisione che le due grandezze fisiche sono equivalenti. Nella teoria della relatività ristretta il concetto di massa è andato modificandosi con l’introduzione della massa relativistica. A livello subatomico, invece, la massa di una particella elementare è il risultato di un meccanismo, il meccanismo di Higgs, strettamente legato all’esistenza di una particella scoperta solo recentemente: il bosone di Higgs.

Dr. Antigone Marino, Istituto di Science Applicate e Sistemi Intelligenti CNR – Napoli

Che luce sia! Si potrebbe dire che questo sia stato il motto del novecento. Gli studi sulla luce di Newton, le grandi scoperte sulla radiazione elettromagnetica di Planck e Maxwell, trovano finalmente il loro sbocco tecnologico verso la fine del secolo scorso. I laser, le fibre ottiche, la fotografia digitale sono solo alcune delle tecnologie basate sulla luce che hanno stravolto le nostre vite. Ma come funzionano? E come è possibile che la luce, le cui straordinarie caratteristiche erano già note a greci ed egizi, abbia dovuto aspettare tanto per diventare protagonista delle nostre vite?

Il termine luce (lux) si riferisce alla porzione dello spettro elettromagnetico visibile dall’occhio umano. Il Sole è la sorgente luminosa più grande a nostra disposizione, responsabile delle fotosintesi clorofilliana e della vita sul pianeta Terra. Sin dall’antichità era noto che la luce interagisse con la materia dando vita a vari fenomeni, tra cui i più noti sono l’assorbimento, la diffusione, la riflessione, la rifrazione e la diffrazione. Ma bisognerà aspettare l’avvento della meccanica quantistica agli inizi del XX secolo per comprendere che la luce non è solo un’onda elettromagnetica, ma possiede anche proprietà tipiche delle particelle. E così il mondo scopre il fotone, la particella che descrive la luce. Ed entra in un nuovo illuminismo tecnologico.

Dr. Maria Rosaria Masullo, Istituto Nazione Fisica Nucleare – Napoli

Era il 1911 quando Ernest Rutherford realizzò il suo esperimento bombardando con particelle alfa, provenienti dal decadimento naturale di materiale radioattivo, sottili lamine d’oro: era l’inizio della fisica moderna, la scoperta del protone, della struttura interna dell’atomo e l’ipotesi di un nuovo modello atomico. Nel 1927, durante il suo discorso alla Royal Society, Rutherford dichiara che: avendo  a disposizione fasci di elettroni o di atomi di energia molto più elevata di quella allora disponibile in laboratorio si potrebbe “open up an extraordinary new field of investigation….”  (un nuovo straordinario campo di investigazione !!!) .

Molti progressi sono stati fatti in meno di ottant’anni, l’energia dei fasci disponibile si è moltiplicata di mille miliardi, sviluppando macchine lineari e circolari: gli acceleratori sono diventati raffinate macchine per lo studio dei costituenti più piccoli della materia. Tali macchine possono portare fasci di particelle (elettroni, positroni, protoni, ioni…..) ad energie molto elevate, facendole poi colpire un bersaglio fisso, formato da atomi di un dato elemento, o scontrare fra di loro. In tal modo si possono creare nuove particelle e ricavare informazioni importanti sulla forma del “bersaglio” e sul tipo di interazione, a partire dalla traiettoria e dall’energia dei prodotti della collisione.

La storia dello sviluppo degli acceleratori passa per l’Italia, dove alla fine degli anni 50, nei laboratori di Frascati, si inizia a lavorare all’idea di un acceleratore circolare in cui due fasci di particelle di carica opposta (elettrone e positrone) potessero circolare, uno in senso opposto all’altro, e scontrarsi (collisore). Era il 1961 quando Bruno Touschek realizzò in circa un anno il primo “collisore” funzionante, si chiamava ADA. L’era dei collisori aprì nuovi ambiti di ricerca per raggiungere energie più elevate.

Dalla fisica dei laboratori di particelle, gli acceleratori hanno fatto molta strada e sono oggi  “al lavoro” negli ospedali, nelle industrie, tra chi si occupa di beni culturali, e raggiungono svariati settori, dall’elettronica, allo studio della struttura delle proteine e lo sviluppo di materiali innovativi. Gli acceleratori nel mondo sono oltre 15.000, ma nei laboratori di ricerca ce ne sono appena un centinaio!

La ricerca per lo sviluppo degli acceleratori non si è però fermata. Oltre alla fisica nucleare e subnucleare per la quale essi sono nati, i nuovi campi di applicazione richiedono sia tecnologie sofisticate, che fasci di caratteristiche particolari.

Da proiettili per rompere gli atomi, le particelle accelerate sono oggi strumenti complessi ed affidabili per applicazioni nei campi più diversi della vita quotidiana. (Forse anche voi avete in casa un acceleratore: un vecchio televisore a tubi catodici…..!)

Prof. Lucio Gialanella, Seconda Università di Napoli

L’anno 2011 ha segnato la ricorrenza del centesimo anniversario della scoperta del nucleo atomico da parte di Ernest Rutherford,  evento che ha segnato un’autentica rivoluzione nel nostro  modo di intendere il mondo e di viverci, giorno dopo giorno.

In questi cento anni, grazie alla comprensione profonda della  struttura del nucleo e della dinamica delle reazioni nucleari, è  stato possibile ad esempio svelare come brucino le stelle, come estrarre energia dai nuclei, come migliorare la qualità della vita e aumentarne la durata attraverso molteplici applicazioni mediche. Dopo aver rievocato |’esperienza di Rutherford, prototipo di una serie impressionante di esperimenti in corso ancora oggi, sarà descritto come la Fisica Nucleare abbia  prodotto, nel corso degli anni, una varietà di applicazioni di cui  tutti siamo beneficiari. Saranno quindi individuate quali opportunità la Fisica Nucleare potrebbe offrire, nel prossimo futuro, per il miglioramento della nostra vita.

Dr. Stefano Morisi, Università degli Studi di Napoli Federico II

La comprensione dell’universo cosmico, della sua origine e delle leggi che lo regolano, è legata alla conoscenza della fisica microscopica, delle particelle elementari e delle loro interazioni fondamentali. I meccanismi che, dal Big-Bang circa 14 miliardi di anni fa, hanno determinato l’evoluzione dell’universo e la sua struttura attuale, possono essere compresi, seppur in parte, alla luce del Modello Standard, la teoria che descrive i costituenti elementari della materia e le loro interazioni. Il Modello Standard, tuttavia, non è in grado di spiegare tutto ciò che osserviamo. La materia, di cui si compongono le stelle e noi stessi, costituisce solo il 4% di tutto l’universo. Si calcola che il 23% del nostro universo sia fatto di materia “oscura”, perché non emette o assorbe radiazione luminosa, ed il rimanente 73% di una energia altrettanto oscura, perché di essa non sappiamo nulla. Questi due componenti misteriosi sono ipotizzati per spiegare la radiazione cosmica di fondo, il moto delle galassie e l’espansione accelerata dell’universo come indicato dalla luce delle Supernovae più distanti. L’alternativa è che sia sbagliata la teoria della relatività o quella della gravitazione universale.

Tutto questo ci fa pensare a scenari di fisica, ancora ignota, dove sono possibili fenomeni non noti, come la presenza di nuove particelle o nuove dimensioni spazio-temporali.

Dr. Pasquale Migliozzi, Istituto Nazione Fisica Nucleare – Napoli

L’esistenza di una particella neutra di massa infinitesimale fu ipotizzata da Wolfgang Pauli nel 1930, come “rimedio disperato” per spiegare le caratteristiche della radiazione beta. Si devono poi ad Enrico Fermi l’elaborazione della prima teoria del neutrino e l’attribuzione del suo nome.

La prima rivelazione di un neutrino risale al 1956, quando Clyde Cowan e Frederick Reines riuscirono a catturare alcuni antineutrini prodotti da un reattore nucleare.

Da allora la nostra conoscenza del neutrino si è via via arricchita di nuovi fatti e soprattutto di “misteri” associati alla sua particolare natura ed al ruolo primario che ricopre nel nostro Universo.

Oggi si conoscono tre tipi di neutrino, detti elettronico, muonico e tauonico, i quali sembrano poter liberamente “trasformarsi” l’uno nell’altro secondo il meccanismo di “oscillazione” originariamente proposto da Bruno Pontecorvo. Questa scoperta costituisce la prima evidenza di fisica non descritta dal Modello Standard.

Recentemente la ricerca si è concentrata sullo studio dei neutrini di altissima energia emessi da oggetti distanti miliardi di anni luce dalla Terra. Quest’approccio, complementare a quello degli esperimenti agli acceleratori, permetterà di “studiare” l’Universo come era qualche miliardo di anni dopo il Big Bang.

Dr. Luca Lista, Istituto Nazione Fisica Nucleare – Napoli

Nel 2012 è stato scoperto al Large Hadron Collider del CERN il bosone di Higgs, l’anello mancante al Modello Standard, la teoria che attualmente descrive le particelle elementari e le loro interazioni fondamentali. Questa scoperta è avvenuta dopo decenni di ricerche in cui il Modello Standard è stato testato con estrema precisione agli acceleratori di particelle. Il bosone di Higgs è fondamentale per comprendere l’origine della massa delle particelle elementari, e senza di questo il mondo e la materia di cui siamo fatti non potrebbero esistere, almeno nel modo che conosciamo. Questa scoperta non risponde però a tutte le domande aperte nella fisica fondamentale. Resta ad esempio sconosciuta la natura della materia oscura che sappiamo costituire gran parte della materia presente nel cosmo. Le ricerche al Large Hadron Collider continuano con energia ancora maggiore dal 2015 dopo un periodo di interventi sulla complessa macchina e sugli esperimenti.

Dr. Lorenzo Manti, Università degli Studi di Napoli Federico II

L’esposizione alla radiazione ionizzante rappresenta una realtà praticamente ubiquitaria e pressoché ineludibile. I suoi effetti tumorigenici sono da tempo conclamati ma, altrettanto innegabili, sono i benefici che ne derivano, per esempio proprio nella cura dei tumori. Una rassegna dei principali effetti, acuti e tardivi a livello biologico di interesse per la salute umana, verrà presentata nel tentativo di far conoscere meglio questo pericoloso alleato.

Dott. Paolo Mastroserio, Istituto Nazionale Fisica Nucleare – Napoli

La presentazione si prefigge l’obiettivo di descrivere alcune delle ricerche che svolgono i fisici e l’avanzamento tecnologico nel campo delle reti telematiche che li ha visti protagonisti. Si parte dalla nascita dei primi calcolatori e dalle prime esperienze di lancio di satelliti in orbita attorno alla terra che hanno determinato anche l’invenzione del GPS. Si prosegue con la nascita della prima rete americana Arpanet, per arrivare alla rete accademica italiana: il GARR (Gruppo Armonizzazione Reti della Ricerca). Durante il seminario verranno mostrati apparati d’epoca che hanno fatto la storia dell’informatica.

Per concludere, dopo il Web, si parlerà di un nuovo progetto rivoluzionario promosso dai fisici che si prefigge di cambiare lo scenario telematico: è la WWG, acronimo di World Wide Grid, e cioè una grande griglia,  la GRID, che mettendo insieme centinaia di migliaia di computer sparsi per il mondo, va a formare un unico grande strumento di calcolo.

Dr. Luigi Coraggio, Istituto Nazione Fisica Nucleare – Napoli

L’energia è una proprietà della materia che si manifesta sotto diverse forme. Diverse branche della fisica forniscono definizioni di diverse forme di energia, che è possibile trasformare da una forma in un’altra (energia meccanica, elettromagnetica, termica, nucleare, …). L’energia è tuttavia sottoposta ad un importante vincolo di conservazione: non si può né creare né distruggere. E ogni trasformazione dell’energia da una forma ad un’altra ha necessariamente un’efficienza limitata, ed una parte dell’energia trasformata verrà inevitabilmente “sprecata”. La natura fisica dell’energia costituisce un invalicabile limite al suo utilizzo da parte delle società umane. Anche la ricerca e l’utilizzo di nuove fonti, rinnovabili e non, dovranno fare i conti con la sua natura finita e con i limiti della sua utilizzabilità.