IL NUOVO SAGGIATORE - Società Italiana di Fisica - If

Bollettino della Società Italiana di FisicaNuova Serie Anno 15N. 3 maggio-giugno 1999N. 4 luglio-agosto 1999IL NUOVOSAGGIATOREBOLLETTINO DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI FISICAComitato di Redazione:Giuseppe-Franco Bassani, Enrico Bellotti,Luisa Cifarelli, Vincenzo Grasso,Roberto Habel, Angiolino Stella, AndreaTaroni, Antonio VitaleDirettore Editoriale:Andrea TaroniResponsabile di produzione:Angela OleandriHanno inoltre collaborato a questo numero:G. Baldacchini, C. Bernardini, S.Cecchini, L. Cifarelli, U. Finzi, S. Focardi,G. Galimberti, M. Inguscio, C. Maisonnier,A. ZichichiCopertina a cura di Enzo IarocciSegreteria di Redazione:Carmen VasiniDirezione e Redazione:Società Italiana di FisicaVia Castiglione 10140136 BolognaTel. 051331554 / 051581569Questo fascicolo è stato realizzato in Fotocomposizionedalla Monograf, Bolognae Stampato dalla Tipografia Compositorinel mese di Settembre 1999Autorizzazione del Tribunale di Bolognan. 3265 del 3/5/1967C Società Italiana di FisicaProprietà Letteraria RiservataTutti i diritti sono riservati. Nessunaparte della rivista può essere riprodottain qualsiasi forma (per fotocopia, microfilmo qualsiasi altro procedimento), orielaborata con uso di sistemi elettronici,o riprodotta, o diffusa, senza autorizzazionescritta dell’editoreUSPI Associato all’UnioneStampa Periodica ItalianaEditrice Compositori, Via Stalingrado97/2, BolognaDirettore ResponsabileGiuseppe-Franco BassaniDirettori EsecutiviAntonio Bertin, Pio Picchi, Renato A. RicciAndrea Taroni e Antonio VitaleOPINIONI3 Physics World Millenium SurveyAntonino Zichichi5 L’insegnamento della Fisica di base nelle facoltà diIngegneriaLuisa Cifarelli6 Lettera di Carla RomagninoIL NOSTRO MONDO7 La riforma della scuola in Italia ed il sistema educativoamericanoGiuseppe Baldacchini11 Premio Sergio PanizzaGabriele Galimberti12 Ricordo di Bianca MonteleoniLuisa CifarelliPERCORSI14 Ettore Majorana: l’opera scientifica edita ed ineditaErasmo Recami29 Bruno TouschekCarlo BernardiniSCIENZA IN PRIMO PIANO34 Il mistero dei raggi cosmici di ultra alta energiaStefano Cecchini48 Condensazione di Bose-Einsten al Laboratorio diSpettroscopia Nonlineare di FirenzeMassimo InguscioFISICA E TECNOLOGIA55 Il programma europeo sulla fusione termonucleare nelcontesto dell’attività mondiale: stato dell’arte e proiezioniper il futuroUmberto Finzi e Charles Maisonnier65 RECENSIONI68 SCELTI PER VOIMicrofoni del futuro – I diamantoidi – I nanobatteri69 ANNUNCICorsi, Scuole, Congressi, opportunità di lavoro

ABBONAMENTI 1999Il Nuovo Saggiatore - Bollettino della Società Italiana di Fisica viene inviato gratuitamente ai Soci della SocietàItaliana di Fisica.Quota di associazione alla Società Italiana di Fisica:Socio individuale Lit. 70.000Socio collettivo Lit. 300.000Socio sostenitoreLit. 500.000 (a partire da)Quota abbonamento a Il Nuovo Saggiatore - Bollettino della Società Italiana di Fisica per i non soci: Lit. 100.000.Quote di abbonamento ai periodici della Società Italiana di Fisica:Il Nuovo Cimento A per i soci Lit. 925.000Il Nuovo Cimento A per i non soci Lit. 1.165.000Il Nuovo Cimento B per i soci Lit. 670.000Il Nuovo Cimento B per i non soci Lit. 835.000Il Nuovo Cimento C per i soci Lit. 340.000Il Nuovo Cimento C per i non soci Lit. 405.000Rivista del Nuovo Cimento per i soci Lit. 357.000Rivista del Nuovo Cimento per i non soci Lit. 440.000A partire dal gennaio 1999 la sezione D del Nuovo Cimento si fonderà con le sezioni B e D dell’European PhysicalJournal, rivista europea nata nel 1998 dalla fusione del Journal de Physique con lo Zeitschrift für Physik.Abbonamento cumulativo alle 4 rivisteper i soci Lit. 2.020.000per i non soci Lit. 2.560.000Giornale di Fisica per i sociQuaderni di Storia della FisicaLit. 79.000Giornale di Fisica per i non soci Lit. 95.000Quaderni di Storia della FisicaLe somme per l’abbonamento devono essere versate (direttamente o per mezzo di un libraio) sulc/c N. 19197409 - Il Nuovo Cimento - Società Italiana di Fisica S.I.F., via Stalingrado 97/2, 40128 BolognaPer ulteriori informazioni rivolgersi a:Editrice CompositoriVia Stalingrado, 97/240128 Bologna, Italytel. +39-0514199711fax +39-051327877e-mail: 1865Icompositori.it2PUBBLICITÀNella tabella sottostante sono indicati i prezzi delle inserzioni pubblicitarie ne Il Nuovo Saggiatore -Bollettino della Società Italiana di Fisica.Spazio Superficie stampata Numero di inserzionidell’inserzione(altezza3larghezza) 1 inserzione 3 inserzioni 6 inserzioni 12 inserzioni1 pagina½ paginacm 25.3 3 17.2cm 12.2 3 17.21⁄3 pagina cm 25.3 3 5.4¼ pagina cm 12.2 3 8.1L. 1.000.000L. 665.000L. 585.000L. 500.000L. 960.000L. 640.000L. 558.000L. 475.000L. 930.000L. 625.000L. 530.000L. 458.000L. 920.000L. 590.000L. 505.000L. 425.000Supplemento per stampa a colori L. 600.000 1 eventuali spese di produzione di cliché.Le inserzioni pubblicitarie devono attenersi alle misure standard indicate.La pubblicità è limitata al 20% del fascicolo.La Direzione si riserva la facoltà di pubblicare esclusivamente le inserzioni che ritiene conformi alcontenuto della rivista.Periodicità: 6 numeri l’anno.Stampa in fotocomposizioneRiproduzione di offset.Gli articoli destinati alla pubblicazione devono essere inviati in duplice copia direttamente ed esclusivamente allaredazione, così come la corrispondenza relativa ad articoli e pubblicità:Redazione de Il Nuovo SaggiatoreSocietà Italiana di FisicaVia Castiglione 10140136 Bolognatel. +39-051581569 - fax +39-051581340e-mail: saggiatoreIsif.it - web page: www.sif.it

OPINIONIIn occasione dell’inizio del IIImillennio, la rivista «PhysicsWorld» ha deciso di intervistare lemaggiori personalità del mondoscientifico nel campo delle ScienzeFisiche. In anteprima pubblichiamol’intervista rilasciata da AntoninoZichichi, per gentile concessionedi «Physics World».Interview by Prof. A. ZichichiPresident of the World Federationof Scientistsfor Dr. M. DurraniDeputy Editor of Physics WorldPHYSICS WORLDMILLENNIUM SURVEYI) What, in your opinion, havebeen the three most important discoveriesin physics, and why?It is not easy, in fact it is nearlyimpossible, to answer your question.There are so many importantdiscoveries that in order to choosethree, I would be forced to do a lotof injustices. What I would like topropose is to choose the three mostimportant discoveries where the ratio,relevance divided by world-widerecognition, is maximum. In factthere are discoveries which are verymuch propagated and repeatedlyemphasized when compared withothers which would deserve by far awider diffusion and recognition becauseof their basic and fundamentalimportance.The three discoveries where theratio is maximum are: i) the forceproportional to acceleration, not tospeed; ii) the copper-zinc junction;iii) the strange particles.1) The discovery (by Galileo Galileiin the XVII century) that forceis proportional to acceleration, notto speed. This means to understandthat «friction» is a negative forcewhich opposes motion. This is whywe need to put oil in our cars. Thisdiscovery took two thousand yearsto be accomplished. For two millennia,everybody believed that forcewas proportional to speed, as «ordered»by Aristotle.2) The discovery that, by puttingtogether copper and zinc, you produceelectrical currents. This discovery(by Galvani in 1786) allowedVolta (in 1800) to invent the «cell»and led to many further developmentsin the field of electricity andmagnetism, culminating in the discoveryby J.J. Thomson (in 1897)of the first elementary particle, theelectron. Galvani’s interpretation ofhis results was not correct, but thegreat discovery of the copper-zincjunction remains perfectly valid toproduce electric currents. This discoverystarts our era dominated byelectromagnetic technology.Think of how many combinationsof metals could have been tried fordecades without success.3) The discovery of the «strangeparticles» in 1947 in the BlackettLaboratory. Our world, mountains,oceans, the Moon, the Sun and allthe stars are made of non-strangeparticles: protons, neutrons, electrons,neutrinos. This discoveryopened the origin of our world tonew frontiers where there are notonly strange particles but other«flavours» as well. The «strangeness»quantum number became oneof the six flavours. All this broughtus to imagine –– now –– the existenceof the Superworld.II) Name the five physicists whohave made the most important contributionsto physics.The five names are: Galilei, Maxwell,Planck, Dirac,’t Hooft.Galilei, the father of modernscience. He taught us that only discoverieswhich are reproducibleand give rise to rigorously measurableeffects are to be trusted.Galilei is the first man who conceivedthe principle of relativity andexpressed this principle in such away that it includes all phenomena.He said, in fact: it is impossible tomeasure effects which depend onthe velocity of a system. No matterwhat the values of the velocity are,provided that they are constant.Contrary to the general belief, thefather of relativity is not Einstein,but Galilei. Einstein extended whathad been discovered by Galilei. Hemeasured the acceleration of gravity,thus allowing Newton to discoverthat the Moon falls down likeour stones. Galilei discovered that«inertial» and «gravitational» massesare proportional to each other.It took three centuries to understandwhy «inertial» and «gravitational»masses are identical.Maxwell. He was able to expressin four formulae two centuries ofexperimental discoveries in electricityand magnetism. We can traceback to his equations the origin ofour five senses, including the formidablephenomena due to light. Infact all these are due to the existenceof one and only one new fundamentalphysical quantity: the electriccharge. This charge producesall electrostatic and magnetostaticeffects, when it is at rest. When it isin motion, it produces the electromagneticwaves, of which light is anexample.Planck. He was able to show thatour idea about the world being«continuous» is pure illusion. Theworld is «quantized». It is made ofpieces, each one having a fundamentalrole. These «pieces» we now callthe fundamental fermions: sixquarks and six leptons. Planck discoveredthat the smallest amountof «action» (energy multiplied by time)cannot be arbitrarily small:there is a minimum quantity for this«action» below which no one can go,no matter how you try, what effortsyou can make in trying to reduce it.No one will ever be able to go belowthe quantum of action: i.e. a fundamentalconstant of Nature, now calledthe Planck constant. This haschanged our way of imagining thestructure of matter.Dirac. With his equation, he hasopened our world to the «virtual»one. The world that we will neverbe able to directly observe, no matterthe power of our instruments.3

IL NUOVO SAGGIATORE4The virtual world is not a fictitiousentity. It can be computed withmathematical rigour and it gives riseto precise theoretical predictionswhich can be experimentally verified.For example, the so-called«anomalous» magnetic moment ofthe electron. The existence of thevirtual world is called, in our jargon,«radiative effects». No physicscan be imagined today outside thedomain of «radiative effects». Allour experiments are based on thesestudies. It is thanks to the existenceof the «virtual» phenomena that wecan say the following: inside thesmall quantity of space and matterwhich is the proton, there is all theinformation on all fundamental processesoccurring in Nature, includingthe origin of the universe.’t Hooft. He is the father of thegauge principle, i.e. all fundamentalforces of Nature (excluding gravityfor the moment) originate from thesame «principle». People havethought for a long time about theold gauge principle of electromagnetism,considered during manydecades a trivial mathematical propertyof the Maxwell fields. No oneknew how to transform this principlein order to describe what wenow know are the non-Abelian forcesof Nature: the colour-weakSU(2) and the colour-strong SU(3).In other words, no one was able tosee how the fundamental forcesseen in Nature follow from an invariancelaw, an invariance law (a localone, i.e. at each space-timepoint) in some fictitious spaces withone, two and three complex dimensions.The gauge principle is reallyfascinating. It tells us: if we requirethat all physics results must notchange when we operate changeswhich obey the law of a symmetrygroup (either U(1) or SU(2) orSU(3)) in fictitious spaces (havingone, two and three complex dimensions)then, as a result of the conditionthat nothing has to be detectablein our world of what happens inthese fictitious spaces, the threefundamental forces of Nature comeout. It could seem incredible but itis true.These three forces, electromagnetic,colour-weak and colourstrong,together with the three familiesof fundamental fermions (sixquarks and 6 leptons), make up theso-called «Standard Model» (SM).The SM is a rigorous mathematicalstructure which allows to makeexact predictions in all phenomenaunder investigation in all subnuclearlaboratories the world over(CERN, DESY, Fermilab, SLAC,BNL, Gran Sasso, SuperKamiokande,KEK). It is due to the ability of’t Hooft to overcome all the mathematicaldifficulties of the late sixtiesin subnuclear physics whichwere forbidding any understandingof what was going on in the fundamentalstructure of matter. Now Ineed to express myself using ourjargon. ’t Hooft was able to provethat non-Abelian gauge theorieswith imaginary masses (also calledthe Higgs mechanism) are renormalizable.And this means that thecomputation you make does notproduce, as prediction of a physicalprocess, an infinite quantity. TheSM is the most powerful synthesisof all times, able to describe all Galileanfacts (i.e. rigorously measuredand reproducible) occurringfrom the inner structure of a protonto the extreme borders of theuniverse. There would be no SMwithout ’t Hooft.III) What, in your opinion, isthe biggest unsolved problem inyour field?How Supersymmetry can be broken.We know that in our world ––at these extremely low energies ––bosons and fermions are not on thesame basis. On the other hand, thereare many reasons why theyshould be. Example, the so-calledhierarchy problem: the separationbetween the Fermi scale and thePlanck scale, once scalar particlescome in. Some of these particles(called Higgs bosons) are at thelow-energy scale (Fermi) to breakSU(2)3U(1) into electromagnetismand weak processes and others areat the extreme energy scale (Planckand string) to break the superunifiedforce into what we see, i.e. electroweakforces and Quantum Chromodynamics.There are other reasonswhy Supersymmetry is needed.However, the problem is thatthe only way we have been able tobreak this fundamental symmetryof Nature is so far «ad hoc». Itwould be great to discover a naturalway to break Supersymmetry. Notethat despite the enormous numberof physicists engaged in the field,no one has so far succeeded in solvingthis problem during the pastnearly three decades.The hierarchy is a deep problemin physics because it deals with theemergence of Large Scale Differencesin the laws of physics. Supersymmetryshould be broken at ascale very different from the Planckscale and it is due to these extremelywide ranges of scales that theuniverse is tremendously large. Herewe have the other mystery of thecosmological constant. Where do allthese very big and extremely smallnumbers come from?IV) What is the biggest unsolvedproblem in the rest of physics?The quantization of gravity.V) Would you study physics ifyou were starting university thisyear? If not, why not?Yes. It is the most fascinating activityfor our brain.VI) If you were starting your researchcareer in physics again,which area of physics would you gointo, and why?Subnuclear physics, because itdeals with the most direct understandingof our existence in the realworld made of space-time, massenergy,charges and spins.VII) Stephen Hawking has saidthat there is a 50-50 chance that wewill find a complete unified theoryin the next 20 years. Do you agreethat the end of theoretical physicsis in sight?No. There is no end to theoreticalphysics. During a conference atFermilab many years ago, I wentfor dinner with one of the greatesttheorists of this century: Richard P.Feynman. The result of the dinnerwas a workshop in Erice on «TheMeaning of Culture». Feynman wasconvinced that we were very lucky:we were discovering everything duringthose few decades. Then itwould be the end: nothing left to beunderstood in the structure of ourreal world. This was in 1972. Theamount of new knowledge acquiredduring these last 25 years is reallyimpressive (see my book on «SubnuclearPhysics: the first 50years»). The number of open problemsis now more fascinating thanin 1972. And in 1972, it was morefascinating than in 1955 when Istarted to do physics. We are luckybecause our field is like climbing amountain. When you reach the top,you realise that there is anothermountain with an even higher top tobe conquered. And so on. We arelucky, because our climbing has noend.

OPINIONIL’INSEGNAMENTO DELLA FI-SICA DI BASE NELLE FACOL-TÀ DI INGEGNERIAQuesto articolo vuole essere unaggiornamento su quanto la SIF haintrapreso quest’anno allo scopo ditutelare l’insegnamento della Fisicanelle Facoltà di Ingegneria nell’ambitodell’attuale profonda ristrutturazionedei corsi di studio universitari,a partire dalle esigenze emersedurante la Tavola Rotonda svoltasisu questo tema al Congresso dellaSIF di Salerno.In seguito all’emanazione da partedel MURST della bozza del documento«Autonomia Didattica - Schema diDecreto Quadro» (datata 24.2.1999),ossia di uno schema di regolamentocontenente i criteri generali per la definizionedei corsi di studio universitari,la Commissione della SIF compostadai Proff. A. Dupasquier, S. LoRusso, I. Massa, C. Mencuccini, L.Scarsi e V. Silvestrini, da me coordinata,ha tempestivamente chiesto al Presidentedella SIF, Prof. F. Bassani, diintervenire presso il Ministro. L’interventodella SIF si è concretizzato inun appello, datato 12.3.99, nel qualeveniva espressa la viva preoccupazionedella SIF per quanto riguarda il futurodell’insegnamento di tutte leScienze di base, quindi non soltantodella Fisica, in tutti i corsi di laurea edi dottorato appartenenti ad aree didattichedel settore scientifico dell’Universitànon specifiche delle Scienze dibase, come l’area dell’Ingegneria, maanche della Biologia o della Medicina.Su invito del Presidente della SIF,tale appello, riportato nel successivoriquadro, è stato sottoscritto dalPresidente dell’Unione MatematicaItaliana, Prof. A. Conte, e dal Presidentedella Società Chimica Italiana,Prof. D. Spinelli. Copia di questo appello,da parte delle tre societàscientifiche rappresentative delle disciplinedi base, è stata inoltre inviataai Rettori di tutte le Università.12 marzo 1999Unione Matematica ItalianaPiazza di Porta San Donato 5, BolognaSocietà Italiana di FisicaVia Castiglione 101, BolognaSocietà Chimica ItalianaViale Liegi 48, RomaAl Ministro dell’Università e dellaRicerca Scientifica e TecnologicaProf. Ortensio Zecchinop.c.Al Sottosegretario Luciano GuerzoniSignor Ministro,la Società Italiana di Fisica cosìcome l’Unione Matematica Italianae la Società Chimica Italianastanno seguendo con estremo interessela profonda ristrutturazionein atto dei corsi universitari, in vistadell’adozione di un modellouniforme sul piano europeo, articolatoin due livelli successivi di studiper il conseguimento dei titoli di«laureato» e di «dottore». Tale ristrutturazione,indubbiamente necessariae positivamente accoltadalla comunità dei docenti, ponetuttavia diversi problemi.In seguito alla divulgazione dellabozza del documento intitolato«Autonomia Didattica - Schema diDecreto Quadro», datato 24.02.1999,le Società Scientifiche che abbiamol’onore di presiedere ritengono doverososegnalare che tale documento,nella sua attuale formulazione,desta una grande preoccupazioneper quanto riguarda il futuro dell’insegnamentodelle Scienze di base(Matematica, Fisica, Chimica)nei corsi di diploma di laurea (I livello)e di dottorato (II livello) appartenentiad aree didattiche delsettore scientifico della nostra universitànon specifiche delle Scienzedi base, come ad esempio l’area dell’Ingegneria,della Biologia, dellaMedicina.Il documento in bozza, nell’Articolo10 (Decreti d’Area), proponeinfatti una tabella esplicativa delcomma 3 di tale articolo nella qualei valori minimi dei crediti da destinarealle discipline di base, qualila Matematica, la Fisica e laChimica, nel loro insieme, sonostati ridotti ad un livello tale dacompromettere l’impatto culturalee didattico che tali discipline hannotradizionalmente avuto e debbonocontinuare ad avere nella formazionedei nuovi laureati e dottoridel settore scientifico.La Società Italiana di Fisica,l’Unione Matematica Italiana e laSocietà Chimica Italiana fanno presenteche lo schema proposto nell’Articolo10 rischia di generare una pericolosapenalizzazione delle disciplineformative di base. Tale eccessivariduzione non potrà che aggravarele difficoltà iniziali degli studentidal variegato e non sempre adeguatobagaglio culturale al momento delloro ingresso nell’università.Con l’auspicio che la nostra vivapreoccupazione sia resa nota allecommissioni incaricate della stesuradel Decreto Quadro in questionee dei vari Decreti d’Area, La ringraziamoper la cortese attenzione.Accolga, Signor Ministro, i nostripiù cordiali saluti.Unione Matematica ItalianaIL PRESIDENTEProf. Alberto ConteSocietà Italiana dI FisicaIL PRESIDENTEProf. Franco BassaniSocietà Chimica ItalianaIL PRESIDENTEProf. Domenico SpinelliPer quanto riguarda in particolarel’Ingegneria, la CommissioneSIF ha ritenuto opportuno inviarecopia dell’appello del 12.3.99 a tuttii Presidi delle Facoltà di Ingegneria,con una lettera di accompagnamentodel Presidente della SIF, riprodottanel successivo riquadro,nella quale venivano ribaditi alcunipunti «irrinunciabili» per l’insegnamentodella Fisica a Ingegneria.Ai Presidi delle Facoltà di IngegneriaLoro SediCari Colleghi,la Società Italiana di Fisica(SIF) ritiene utile formulare un indirizzocomune, sul piano nazionale,relativamente alla ristrutturazionedegli insegnamenti di Fisicaall’interno della nuova articolazionein più livelli degli studi universitaridi Ingegneria.A tale scopo la SIF ha istituitouna Commissione che, mio tramite,sottopone alla Vostra attenzione leconsiderazioni seguenti:I) Osservazioni generali per tuttii corsi di studio, trasmesse al Ministrodell’Università e della RicercaScientifica e Tecnologica con letteradel 12.3.1999 (che si acclude),da me firmata, come Presidentedella Società Italiana di Fisica, insiemeal Presidente dell’UnioneMatematica Italiana e al Presidentedella Società Chimica Italiana.II) Per quanto riguarda in particolaregli studi di Ingegneria:–– si ritiene che l’insegnamentodi Fisica Generale debba essere articolatoin tre moduli successiviper un totale di 18 crediti da impartirenecessariamente nel curriculumdi I livello e che, di tali moduli,i primi due dovrebbero essereuguali per tutti i corsi di studio e ilterzo differenziato per corso di studioo per percorso formativo;–– si ritiene inoltre che dopo l’acquisizionedell’adeguata formazionemetodologica di base sopra indicata,l’offerta di ulteriori moduli di Fisicaavanzata, a contenuto più specialisticoo orientato allo sviluppo tecnologicodi specifico interesse per l’Ingegneria,troverà una corretta e opportunacollocazione nell’ambito deicurricula di II livello.Con i più cordiali saluti.Franco BassaniPRESIDENTE5

IL NOSTRO MONDOLA RIFORMA DELLA SCUOLA IN ITALIAED IL SISTEMA EDUCATIVO AMERICANOGiuseppe BaldacchiniENEA Centro Ricerche di Frascati00044 Frascati, Roma.In questa nota viene fatto uno studio di alcune caratteristichegenerali del sistema educativo americano,che è stato ed è oggetto di frequenti criticheda parte del mondo culturale italiano ed europeo.Alla fine di questa analisi si evince che molte dellecritiche sono ingiustificate alla luce degli sviluppimoderni della nostra società e che sarebbe moltomeglio se alcuni elementi del sistema americano venisseroinseriti nei nostri ordinamenti scolastici siapre-univeristari che universitari.Da quando sono entrato nella maggiore età,cioè dal 1960 circa, mi è capitato assai spesso diascoltare dal vivo, dalla radio, dalla televisione oleggere sulla stampa critiche abbastanza negativesul sistema degli studi negli Stati Uniti d’Americasia pre-universitari che universitari. La questioneperò mi sembrava facesse parte di un atteggiamentocritico generale verso il modello disviluppo americano, che aveva una origine chiaramentepolitica, per cui non ho mai dato alla cosapiù importanza di tanto. Ultimamente però, puressendo crollato il muro di Berlino nel 1989 e conesso una buona parte della divisione ideologicadel mondo, sono stato testimone diretto di alcuniepisodi dello stesso tenore che mi hanno sconcertato.Ne voglio riportare solo alcuni che in qualchemodo sono emblematici di come taluni ambientiaccademici e giornalistici siano ancora arroccatisu posizioni culturali valide dal punto divista storico ma inadeguate alla luce degli sviluppisociali moderni.Alcuni anni fa sono stato eletto ad un Consigliod’Istituto (Liceo Scientifico dell’area romana) eduna sera, durante una lunga riunione, un rappresentantedel corpo docente affermava che la conoscenzaculturale degli studenti italiani stava diminuendoa tal punto che presto sarebbe cadutaal livello degli studenti americani ben noto, a suodire, per essere tra i più bassi del mondo civile.Ultimamente, al Congresso Nazionale della SIFa Salerno nell’Ottobre 1998, ci sono state discussionidi una certa ampiezza sulla riforma dellascuola nel nostro paese sia a livello pre-universitarioche universitario. In particolare, ad un certopunto è stato fatto un paragone tra il sistemaitaliano e, guarda un po’, quello americano, ed ancorail paragone era a tutto svantaggio per quest’ultimo.Infatti, nel considerare le nuove proposteorganizzative, che sembrano ormai ben definitea livello europeo, il partecipante si auguravache esse non portassero ad una istruzione insoddisfacentecome era in America. Ancora, più recentemente,il quotidiano «La Repubblica» riportavail titolo a tutto campo «America, tu uccidi lascuola», che evoca tra l’altro un episodio maramaldescodi ben altra portata storica, ed in caratteripiù piccoli «un prestigioso intellettuale francese denunciai rischi che l’Europa corre adottando i modellidi insegnamento praticati negli USA» con unalunga intervista e molti commenti sui quali non èora il caso di entrare nei dettagli( 1 ).Di questi episodi, solo apparentemente slegatitra loro, mi hanno colpito sia gli ambienti diversida cui erano partite le critiche, sia il fatto che,ancora una volta si tirava in ballo in luce negatival’America, che è il paese che esercita di fatto unacerta supremazia culturale in senso generale( 2,3 ).Comunque, dato il loro ripetersi, mi sono dettoche valeva la pena affrontare il problema più direttamenteanalizzando un po’ più a fondo il sistemascolastico americano, che probabilmente nonè poi così ben conosciuto da molti dei suoi detrattori.Ma invece di iniziare immediatamente a discuterequesto argomento dal principio, ho preferitoprendere in prestito una metodologia ampiamenteusata nella ricerca scientifica, dove la validitàdi una teoria trova conferma solo nei risultatisperimentali finali. Allora per analogia vediamo7

G. BALDACCHINI: LA RIFORMA DELLA SCUOLA IN ITALIA ED IL SISTEMA EDUCATIVO AMERICANOFig. 1. – Premi Nobel in Fisica assegnati dal 1901 al 1998 agli studiosi degli Stati Uniti d’America, linea sottile, e aquelli di tutti gli Altri Paesi, linea spessa.8Fig. 2. – Percentuale dei Premi Nobel in Fisica dal 1901 al 1998 assegnati fino a quella data agli studiosi degli StatiUniti d’America, linea sottile, e a quelli di tutti gli Altri Paesi, linea spessa.quali sono questi risultati quando invece di teoriesi parla di complessi sistemi educativi in tutti iloro gradi di sviluppo.Una discussione dettagliata su questo punto cipotrebbe portare molto lontano, ma sicuramentetutti concordano sul fatto che esistono dei para-

IL NUOVO SAGGIATOREFig. 3. – Variazione annuale, mediata sugli ultimi 5 anni, dei premi Nobel in Fisica assegnati agli studiosi degliStati Uniti d’America, linea sottile, e a quelli degli Altri Paesi, lina spessa. La media su almeno 5 anni si è resanecessaria per evitare variazioni troppo brusche degli andamenti.metri che possono essere considerati buoni indicidi successo per questi sistemi e tra questi primeggianosicuramente i premi Nobel, assegnatiin particolare nella Fisica, che sono il riconoscimentopiù alto ed ultimo. In Fig. 1 sono riportatii numeri dei premi Nobel in questa disciplina assegnatinel corso degli anni a studiosi americani ea quelli di tutti gli altri paesi a partire dal 1901,quando W.C. Roentgen, Germania, ne ottenne ilprimo; fino al 1998 sono stati assegnati 156 PremiNobel, dei quali 69 agli americani e 87 aglialtri. Si nota immediatamente l’aumento costantedei premi attribuiti durante tutto il secolo XX a-gli americani rispetto agli altri, e dalla Fig. 2, chene riporta la percentuale relativa, si deduce checontinuando allo stesso ritmo nel prossimo decennioil numero dei Nobel americani supereràquello di tutti gli altri. Ma il risultato più interessantesi scopre “graficando” la variazione annualemediata sugli ultimi cinque anni come riportatoin Fig. 3. Si osserva che gli altri paesi, che poisono essenzialmente alcuni stati europei qualiGermania, Inghilterra e Francia con 47 Premi finoal 1998, hanno dominato la scena mondialedella Fisica fino al 1940. C’è poi stata una situazionedi sostanziale parità che è durata dal 1940al 1990, da quando invece è iniziato un netto predominiodell’America che se dovesse continuareallo stesso modo dimostrerebbe, come è stato giàosservato in molti ambienti, che il XXI7 secolo enon il XX sarà il secolo della supremazia americananel campo scientifico e non solo( 4 ).Ora, alla luce di questi dati è difficile non riconoscereche la scuola americana nella sua globalitàproduca i migliori esperti mondiali nelle scienzeed anche in altri campi culturali. Allora comesi può affermare così semplicemente che questascuola non funziona? In realtà il sistema ha undifetto che d’altro canto è ed era ben noto aglistessi studiosi americani del campo; infatti lascuola americana produce i migliori esperti scientificima anche un grande numero di illetteratiscientifici( 5 ). Questo paradosso non deve peròmeravigliare più di tanto se si osserva da vicinola struttura del sistema educativo americano. Essosi divide essenzialmente in due cicli che sonoprofondamente diversi tra loro. Il primo, checomprende scuola elementare (primary) e media(high school), dura in totale 12 anni, è a tempopieno, obbligatorio e gratuito a partire più o menodall’inizio del XX secolo. Inoltre possiede duecaratteristiche molto peculiari. Non ci sono veri epropri esami di sbarramento tra un anno ed ilsuccessivo e non vengono esercitate forti pressioniper costringere i singoli ad apprendere, mentrea tutti vengono offerte le più ampie opportunità9

G. BALDACCHINI: LA RIFORMA DELLA SCUOLA IN ITALIA ED IL SISTEMA EDUCATIVO AMERICANO10perché ciò avvenga. D’altronde, alla fine di questociclo, che è essenzialmente di indirizzo generale,viene rilasciato un attestato che è più di frequenzache di merito. Dopo di ciò, per chi desideraaccedere al secondo ciclo, corsi di istruzionesuperiore ed Università, inizia una severa selezioneed il sistema diviene completamente meritorioe non gratuito eccetto, in questo ultimo caso, peri meno abbienti. Infatti si può accedere alle Universitàsolo attraverso esami di ammissione, iprimi veri e propri nel sistema americano. Peralcune Scuole Superiori ed Università, che rilascianotitoli di studio validi legalmente come Ingegneria,Medicina, Legge ed altri, ci sono ancherigidi numeri chiusi che esistono, ma sono dettatida sole considerazioni di capienza, anche negli altricasi, i cosiddetti studi liberali come Fisica,Chimica, Matematica, etc. È ben noto per esempio,come in questo momento il numero di studentiin Fisica sia minore delle reali possibilitàricettive con conseguenze non trascurabili per ilfuturo di molte realtà accademiche americane. Ingenerale poi, il conseguimento del Dottorato diRicerca, Ph.D., riservato ai migliori dei corsi universitari,undergraduate level, di circa 4 anni didurata, richiede ulteriori 3 o 6 anni, graduate level,durante i quali il candidato riceve un regolarefinanziamento sotto forma di borsa di studio e/odi salario per attività di insegnamento. Al termineil Dottore, in Fisica per esempio, ottiene unattestato che pur non avendo un valore legale ètenuto in grande conto dagli ambienti accademici,industriali, e dalla società civile in genere, specialmentese rilasciato da Università note per laserietà degli studi ed il loro contributo al progressoculturale. È anche doveroso ricordare cheil Dottorato è unanimamente riconosciuto in tuttoil mondo come il gioiello che corona( 5 ) tutto ilcorso degli studi americani ad iniziare dalle elementari,ed ad esso si deve principalmente ilgrande successo nel campo scientifico e non, bendimostrato dai Premi Nobel dei quali si è parlatoall’inizio. Da quanto detto fino ad ora, risultachiaramente che questo sistema scolastico è statopensato e realizzato per offrire a tutti le stesse opportunitàed infine per selezionare i migliori( 6 ),una specie di mining and sorting operation( 7 ).A questo punto, è lecito chiedersi cosa ci sia disbagliato in questo sistema da attirare tante criticheda parte di esperti italiani ed europei delcampo. Tanto più che gli stessi esperti della primametà del secolo XX criticavano le decisioniamericane di rendere obbligatoria e gratuita lascuola fino a 16 o 18 anni di età, quando, dicevano,la maggioranza di costoro non avrebbe maipotuto utilizzare la cultura appresa, dovendoesercitare mestieri umili( 7 ). Non viene in mente anessuno che probabilmente il grande numero diilletterati scientifici della società americana sia ilfrutto naturale dello scarso interesse da partedella maggioranza delle persone ad acquisire unabuona conoscenza scientifica? È così assurdopensare che le persone possano vivere una vitapiena e felice essendo ignoranti della scienza,specialmente nel mondo di oggi che offre così ampiescelte di vita alternativa? È ben noto dall’esperienzacomune che si può essere felici anchesenza essere sapienti nella scienza ed in altricampi culturali. Comunque, ritornando all’argomentoin discussione, io penso che non sia correttorivolgere delle critiche generiche ad un sistemacome quello americano che offre a tutti indistintamentele stesse opportunità di apprendimento,mentre credo che la libertà, che non èquella di marinare la scuola, lasciata agli studentidi utilizzare o meno questa opportunità sia doverosain un regime democratico e sia una logicaconseguenza della trasformazione da scuola diélite, come era fino ad un secolo fa, a scuola dimassa ed obbligatoria, come è oggi. A questopunto mi viene in mente il vecchio detto popolareche non si possono avere contemporaneamentequalità e quantità, e che una società è costretta afare una scelta tra le due; a me sembra che lasocietà americana abbia fatto nel passato la sceltagiusta per il sistema educativo nelle sue lineegenerali, visti i risultati di punta raggiunti.In conclusione, ritengo che il modello americanopossegga alcuni elementi che dovrebbero essereadeguatamente trasferiti al nostro sistemaper un suo miglioramento, e tra essi ci sono sicuramentei seguenti:–– La diminuzione della durata della scuola inferioreobbligatoria. Non è possibile alle soglie delXXI secolo tenere sui banchi delle scuole medie superiorigiovani o meglio uomini di 19-20 anni di età!–– La eliminazione degli esami inutili, comequello di maturità, che promuove più del 90% deglialunni. A che cosa serve se sono tutti meritevolidi essere promossi?–– Limitare ai soli meritevoli l’accesso (gratuito)alle Università, che così diventerebbero dellevere e proprie palestre della cultura. Tra l’altrosi eliminerebbe la triste piaga dei fuori corso, ormaiuna caratteristica quasi unicamente italiana.–– Rimodellare i corsi di laurea in modo chesia realmente possibile ultimarli in un ragionevo-

IL NUOVO SAGGIATOREle lasso di tempo, rinunciando all’insegnamentodi tutto lo scibile umano in materia, per il quale cisarà tempo nel corso della vita professionale.–– Togliere il valore legale ai titoli di studio elauree. Così finirebbe la rincorsa affannosa e nonsempre sportiva ai vari pezzi di carta che in molticasi non hanno alcun valore culturale.L’epoca degli studi di tipo medioevale è finita eprima si faranno i cambiamenti opportuni per laloro modernizzazione meglio sarà per i risultatiche si potranno raggiungere.Alla fine di questa nota, non vorrei aver creatol’idea che io sono contrario alla buona istruzionedi massa, che invece deve rimanere un obiettivoda perseguire in una scuola che stimola la fantasiae la curiosità dello studente, ma non al costodi sacrificare i risultati finali che contano di piùnel mondo moderno. In altre parole, si deve semprefare una scelta oculata, come già accennato inprecedenza, tra qualità e quantità ben sapendoche difficilmente, come ci insegna la storia, sipossono ottenere entrambi questi parametri contemporaneamente.Sono debitore ai Proff. David Goodstein e UmbertoMaria Grassano per una lettura critica diquesta nota ed utili consigli. Inoltre, si ringraziaQuirino Baldacchini per aver curato con diligenzala grafica e Cinzia Piergentili per la preziosa assistenzanella preparazione del manoscritto.Bibliografia(1) F. Gambaro, «Intervista a Marc Fumaroli», La Repubblica,25 Marzo 1999, pagina della Cultura, pag. 39.(2) C. Krauthammer, American Rules: Thank God, Time,August 4, 1997, pag. 16.(3) Di questa supremazia, specialmente quando si guarda allato economico che ne è poi una conseguenza, esiste unachiara percezione anche a livello popolare, ed a questoproposito ricordo ancora un episodio di quando ero bambinoche vale la pena essere raccontato. Una mia vecchiazia, di nome Righetta, nata agli inizi del XX secolo, stavaraccontando a mia madre alcuni fatti della sua giovinezzatra cui il ricordo ancora vivissimo di una dolorosa separazionedi una parte della famiglia che emigrò in Argentinaalla ricerca di una vita migliore. Quando mia madre lechiese come stavano attualmente, Righetta, che era ancorain contatto con alcuni loro discendenti, rispose che sela cavavano bene ma non avevano fatto la fortuna che speravanoe aggiunse «Angelina (mia madre), hanno sbagliatoAmerica». Infatti intendeva dire che sarebbero dovutiandare nel Nord (Stati Uniti) e non nel Sud (Argentina)dell’America.(4) J. Chace, A Sunlit American Summer, Time, August 4,1997, pag. 18.(5) D.L. Goodstein, Attracting and Graduating Scientists andEngineers Prepared to Succeed in Academia and Industry,Hearing of the Science Committee of the U.S. House ofRepresentatives, April 1, 1998. The Ehlers Reports.(6) J.W. Buchta, New Era in Science?, Am. J. Phys. 26, 352(1958); Oersted Medal Address, 1997. Questo articolo contieneutili informazioni sul ruolo dell’insegnamento in unasocietà democratica.(7) D.L. Goodstein, Now Boarding: The Flight from Physics.Am. J. Phys. 67, 183 (1999); Oersted Medal Address, 1998.Questo articolo contiene utili informazioni sulla scuola americanaed in particolare sui dottorati di ricerca.11PREMIO SERGIO PANIZZAIl premio (denominato all’epoca«premio Laser Optronic») nacqueda un’idea generosa del compiantoSergio Panizza (1946-1992).Laureato in Fisica all’Universitàdi Milano ha sempre svolto la suaattività lavorativa in aziende operantinell’elettro-ottica (CISE, dB,Valfivre) approdando da ultimo allanostra Società (1979) di cui divenneConsigliere di Amministrazione.La sua idea di creare il premionacque dalla considerazione che laLaser Optronic traeva motivo dellasua vitalità dal rapporto con il mondodella ricerca della Fisica italianae di conseguenza riteneva correttodestinare una somma annuale (alloradi cinque milioni, divenuta in seguitobiennale di 10 milioni) a favoredi ricercatori che si fossero distintinel settore dell’ottica e dellafotonica.L’individuazione e la scelta dellepersone cui attribuire il Premio venivariservata al Consiglio di Presidenzadella SIF affinché l’idea di riconoscereil contributo non fosse influenzatada motivazioni di naturacommerciale da parte della nostraSocietà, ma conservasse lo spirito diautentico riconoscimento per il lavoroe le ricerche svolte dai vincitoridel premio.Siamo veramente orgogliosi diquesta nostra decisione perché tra ivincitori del Premio succedutisi neivari anni vi sono sicuramente i piùbei nomi della Fisica italiana.Mi permetto di ricordarli:l 1989 Adriano Gozzini e FortunatoTito Arecchil 1990 Emanuele Riminil 1991 Rodolfo Bonifacio e LuigiLugiatol 1993 Umberto Maria Grassano,Giuseppe Baldacchini e MauroTonellil 1995 Massimo Inguscio, FrancoStrumia e Paolo Minguzzil 1997 Angiolino StellaA conclusione di questa mia notavorrei ricordare la figura di SergioPanizza per ciò che gli riconoscerannosempre tutti coloro che hannoavuto modo di incontrarlo e di coglierenelle sue argomentazioni laprofonda passione per la Fisica.L’attività svolta nella nostra Societàlo portava inevitabilmente aconfrontarsi con «costi e ricavi» e, avolte, con aride questioni economiche.Ma quando parlava con i suoi interlocutoridei prodotti o dei progettidi ricerca, scattava in lui quellascintilla che lo portava sempre unpo’ oltre l’evidenza, con quel soffiodi fantasia e di poesia che, in un modoo nell’altro, è dentro in tutti noiFisici e che spesso ci fa superare ledifficoltà, pur di «andare oltre» coni nostri pensieri, la nostra immaginazionee la nostra creatività.Gabriele Galimberti(Presidente)Laser Optronic S.p.a.

IL NUOVO SAGGIATORE12RICORDO DI BIANCA MONTELEONIL’ultimo mio incontro con Bianca Monteleoni risaleallo scorso mese di Aprile, a Roma, in occasionedella sua elezione a Rappresentante Nazionaledell’esperimento L3 al collider LEP del CERN.Nel congratularmi vivamente con lei per la sua elezione,con un caloroso abbraccio, non potevo certoimmaginare che quello sarebbe stato il nostro ultimoabbraccio. Avevamo parlato di comuni progettidi ricerca, con grande entusiasmo, e ricordo il suofestoso arrivederci, il suo impeccabile tailleur-pantaloni,la spilla antica che portava appuntata sul baverodella giacca e che le avevo molto ammirato(«Era di mia madre», mi aveva detto sorridendo).Poche settimane dopo, Bianca Monteleoni è improvvisamentee inaspettatamente venuta a mancareall’affetto e alla stima dei suoi familiari e dei suoitanti amici e colleghi.Bianca Monteleoni aveva avuto un esordio dicarriera decisamente internazionale. Negli annisessanta era stata Staff Member al CERN, poiResearch Associate all’Enrico Fermi Institutedell’Università di Chicago, infine Senior StaffScientist al Rutherford Laboratory. Rientratain Italia nel 1974, era diventata Ricercatoredell’INFN presso la Sezione di Roma, trasferendosiin seguito presso la Sezione di Firenzedove era stata, dapprima Coordinatore per laFisica delle Alte Energie, poi Direttore di Sezione.Nel 1989 aveva vinto il concorso di Dirigentedi Ricerca dell’INFN.La sua attività scientifica era stata molto ricca,coprendo quasi tutti gli aspetti di avanguardiadella Fisica Subnucleare sperimentale. Piùrecentemente si era anche estesa nel campodell’Astrofisica delle Particelle.I suoi primi esperimenti, negli anni sessanta,furono effettuati con le camere a bolle per rivelarele risonanze bosoniche e barioniche prodottenelle interazioni adroniche, in particolarecon la camera di Saclay e con la camera a idrogenodel CERN. Sempre al CERN aveva poistudiato i processi np analizzando i dati dellacamera BEPC. Successivamente, negli annisettanta, aveva partecipato all’esperimentoBeam Dump, che aveva condotto alla primaevidenza sperimentale della produzione dicharm in interazioni adroniche, e aveva collaboratoin seguito alle misure della vita mediadelle particelle «charmate», effettuate con lospettrometro OMEGA in processi di fotoproduzione.All’inizio degli anni ottanta, aveva svoltoun’intensa attività a DESY, dedicandosi all’esperimentoCrystal Ball, con numerosi e rilevantirisultati relativi al decadimento dellaupsilon, alle transizioni radiative degli statibeauty-antibeauty e ai processi a due fotoni.Si era poi lanciata nell’impresa LEP delCERN, contribuendo vigorosamente alla costruzionedel filtro per muoni dell’apparato L3e guidando, negli ultimi dieci anni, una serie diimportanti linee di analisi dei dati raccolti adenergie via via crescenti nei processi di annichilazionee 1 e 2 . I suoi più recenti lavori riguardavano,in particolare, alcune fondamentali misure diprecisione del Modello Standard elettrodebolerelative alla produzione di beauty.In parallelo al suo notevole coinvolgimento nellaCollaborazione L3, aveva anche dedicato unaparte del suo tempo all’esperimento LVD, per lostudio dei muoni cosmici e la rivelazione di supernovae,nel laboratorio sotterraneo del Gran Sasso.Infine, il suo più recente «amore scientifico»era stato NESTOR, un grande esperimento subacqueonei pressi di Pylos, ideato per lo studiodei neutrini cosmici. La bella fotografia che pubblichiamola ritrae appunto durante uno dei suoiviaggi di lavoro in Grecia.Malgrado i suoi impegni e responsabilità sullascena internazionale della ricerca, malgrado il suoruolo dirigenziale nell’INFN e pur non essendo undocente universitario, Bianca Monteleoni avevainoltre avuto la capacità di «fare scuola». Per anniaveva tenuto una serie di corsi specialistici di FisicaSubnucleare e di Cosmologia per il Dottorato diRicerca dell’Università di Firenze. Dal 1979 a oggi,era stata relatore di ben quindici tesi di laurea e dicinque tesi di dottorato, animando così attorno a séun vivace gruppo di ricerca.Bianca Monteleoni aveva sempre saputo lavorarecon energia, rigore e, senza dubbio, passione,riuscendo a dare contributi di rilievo ai numerosiesperimenti ai quali aveva partecipato e adassumere un ruolo incisivo in tutte le équipessperimentali nell’ambito delle quali aveva agito.Ciò le era valso unanime rispetto e considerazioneda parte dei suoi colleghi. Tutti ricorderemo lasua autorevolezza scientifica e professionale, insiemea quella sua classe innata, fatta di serietà,riserbo e cortesia. Con lei se ne è andata unagran signora della Fisica.Luisa CifarelliVice Presidente SIFDipartimento di Scienze Fisiche «E.R. Caianiello»Università di Salerno

RICORDO DI BIANCA MONTELEONIPremio «Bianca Monteleoni»13SOCIETÀ ITALIANA DI FISICAPer onorare la memoria della Professoressa Bianca Monteleoni, la Società Italiana di Fisica,grazie ai contributi dei colleghi dell’INFN e dell’Università, membri della Collaborazione dell’EsperimentoL3, istituisce il Premio «Bianca Monteleoni» per un giovane laureato in Fisica cheabbia svolto una tesi in Fisica Subnucleare sperimentale. Tale premio sarà assegnato per concorso,con pubblicazione del bando sul Bollettino della Società Italiana di Fisica, a partire dal prossimoanno 2000.

PERCORSIETTORE MAJORANA:L’OPERA SCIENTIFICA EDITA E INEDITA(*)Erasmo RecamiDipartimento di Ingegneria, UniversitàStatale di Bergamo; INFN - Sezione di Milano,Italia;D.M.O./FEEC e C.C.S., UNICAMP, Campinas,S.P., Brasile.PARTE IETTORE MAJORANA: LO SCIENZIATO E L’UOMO1. – La Fama141.1. – GenialitàLa fama di Ettore Majorana, ovvia per glispecialisti, può solidamente appoggiarsi anchea testimonianze come la seguente, dovutaalla memore penna di Giuseppe Cocconi. Invitatoda Edoardo Amaldi 1 , dal CERN gli scrive:«Ginevra, 1965 Luglio 18 –– Caro Amaldi, Inuna discussione che si ebbe tempo fa sul libro[poi edito dall’Accademia dei Lincei] che staiscrivendo su Ettore Majorana, ti dissi come iopure ebbi un tenue contatto con Majorana poco(*) Work partially supported by CNR, MURST andINFN.1Il primo storico di Ettore Majorana. Si vedano di E.Amaldi: «La Vita e l’Opera di E. Majorana (AccademiaNazionale dei Lincei; Roma, 1966); «Ricordo di Ettore Majorana»,Giornale di Fisica 9 (1968) 300; «Ettore Majorana:Man and scientist», in Strong and Weak Interactions, acura di A. Zichichi (New York, 1966); «From the discoveryof the neutron to the discovery of nuclear fission», Phys.Rep. 111 (1984) 1-322; «I miei giorni con Fermi», in LaRepubblica, Supplemento al n. 285 del 31.12.86 (Roma).Ettore Majorana.prima della sua fine. Tu esprimesti allora il desiderioche ti descrivessi con maggiore dettaglioil mio ricordo, e qui cerco di accontentarti.Nel gennaio 1938, appena laureato, mi fu offerto,essenzialmente da te, di venire a Romaper sei mesi nell’Istituto di Fisica dell’Universitàcome assistente incaricato, ed una volta líebbi la fortuna di unirmi a Fermi, Bernardini(che aveva avuto una Cattedra a Camerino pochimesi prima) ed Ageno (lui pure giovanelaureato), nella ricerca dei prodotti di disintegrazionedei «mesoni» mu (allora chiamati mesotronied anche yukoni) prodotti dai raggi cosmici.L’esistenza dei «mesoni» mu era stata

E. RECAMI: ETTORE MAJORANA: L’OPERA SCIENTIFICA EDITA E INEDITAproposta circa un anno prima, ed il problemadel loro decadimento era già molto attuale.Fu proprio mentre mi trovavo con Ferminella piccola officina del secondo piano, intentilui a lavorare al tornio un pezzo della cameradi Wilson che doveva servire a rivelare i mesoniin fine range, io a costruire un trabiccoloper l’illuminazione della camera, utilizzante ilflash prodotto dall’esplosione di una fettucciadi alluminio cortocircuitata su una batteria,che Ettore Majorana venne in cerca di Fermi.Gli fui presentato e scambiammo poche parole.Una faccia scura. E fu tutto lí. Un episodio dimenticabilese dopo poche settimane, mentreero ancora con Fermi nella medesima officinetta,non fosse arrivata la notizia della scomparsada Napoli del Majorana. Mi ricordo cheFermi si dette da fare telefonando da varieparti sinché, dopo alcuni giorni, si ebbe l’impressioneche non lo si sarebbe ritrovato piú.Fu allora che Fermi, cercando di farmi capireche cosa significasse tale perdita, si espressein modo alquanto insolito, lui che era cosíserenamente severo quando si trattava di giudicareil prossimo. Ed a questo punto vorreiripetere le sue parole, cosí come da allora mele sento risuonare nella memoria: “Perché, vede,al mondo ci sono varie categorie di scienziati;gente di secondo e terzo rango, che fandel loro meglio ma non vanno molto lontano.C’è anche gente di primo rango, che arriva ascoperte di grande importanza, fondamentaliper lo sviluppo della scienza (e qui ho nettal’impressione che in quella categoria volessemettere se stesso)”. “Ma poi ci sono i geni,come Galileo e Newton. Ebbene, Ettore erauno di quelli. Majorana aveva quel che nessunaltro mondo ha; sfortunatamente glimancava quel che invece è comune trovare neglialtri uomini, il semplice buon senso”.Spero che queste mie righe ti dicano quantodesideravi. Cordiali saluti, Giuseppe Cocconi».2Uno dei maggiori fisici della nostra epoca. Per quelloche ha fatto nel 1942 a Chicago (con la costruzione dellaprima «pila atomica») il suo nome diverrà forse leggendariocome quello di Prometeo.“Il semplice buon senso”; noi preferiremmodire il senso comune; il quale non è detto siasempre buono, o il migliore.Enrico Fermi 2 si espresse in maniera insolitaanche in un’altra occasione, il 27 luglio1938 (dopo la scomparsa di Majorana, avvenutail sabato 26 marzo 1938), scrivendo daRoma al primo ministro Mussolini onde chiedereuna intensificazione delle ricerche di Ettore:«Io non esito a dichiararVi, e non lo dicoquale espressione iperbolica, che fra tutti glistudiosi italiani e stranieri che ho avuto occasionedi avvicinare il Majorana è fra tutti quelloche per profondità di ingegno mi ha maggiormentecolpito».E un testimone diretto, Bruno Pontecorvo,aggiunge: «Qualche tempo dopo l’ingresso nelgruppo di Fermi, Majorana possedeva giàuna erudizione tale ed aveva raggiunto un talelivello di comprensione della fisica da potereparlare con Fermi di problemi scientificida pari a pari. Lo stesso Fermi lo riteneva ilpiú grande fisico teorico dei nostri tempi.Spesso ne rimaneva stupito [...]. Ricordoesattamente queste parole di Fermi: “Se unproblema è già posto, nessuno al mondo lopuò risolvere meglio di Majorana”.»Il mito della “scomparsa” ha contribuito adare a Majorana, quindi, null’altro che la notorietàche gli spettava, per essere egli davveroun genio: e di una genialità precorritricedei tempi. Anzi, cosí come avviene quando èvera, la sua fama è cresciuta e cresce col tempo,anche tra i colleghi. Da una ventina d’anniè esplosa: e una elevata percentuale di pubblicazioniscientifiche nel mondo (in alcunisettori della fisica delle particelle elementari)contiene ora il suo nome nel titolo.Enrico Fermi è stato forse uno degli ultimi–– e straordinari –– esempi di grande teoricoe contemporaneamente di grande sperimentale.Majorana era invece un teorico puro, anzi(per dirla con le stesse parole di Fermi, nelprosieguo del suo scritto a Mussolini) Ettoreaveva al massimo grado quel raro complessodi attitudini che formano il fisico teorico digran classe. Ettore «portava» la scienza, comeha detto Leonardo Sciascia: portava, anzi,la fisica teorica. Non era inferiore a un Wigner(premio Nobel 1963) o a un Weyl: i quali,per il loro rigore fisico-matematico, eranoforse gli unici per i quali Ettore nutrisse ammirazionesenza riserve.Da un lato, quindi, non aveva alcuna propensioneper le attività sperimentali (neanchecostretto, per intenderci, avrebbe mai potutorecare contributi concreti a progetti comequello della costruzione tecnologica dellabomba atomica). Dall’altro lato, però, sapevacalarsi a profondità insuperate nella sostanza15

IL NUOVO SAGGIATORE16dei fenomeni fisici, leggendovi eleganti simmetriee nuove potenti strutture matematiche,o scoprendovi raffinate leggi. La suaacutezza lo portava a vedere al di là dei colleghi:ad essere cioè un pioniere. Perfino i suoiappunti di studio –– redatti in circa un anno apartire dagli inizi del 1928, quando egli passòdagli studi di ingegneria a quelli di fisica ––sono un modello non solo di ordine, divisi comesono in argomenti e persino muniti di indici,ma anche di originalità, scelta dell’essenziale,e sinteticità. Tanto che questi quaderni,noti come i Volumetti, potrebbero essereriprodotti fotograficamente e pubblicaticosí come si trovano, in modo analogo a quantoqui si sta facendo per i suoi appunti di lezionee a quanto fece la Chicago UniversityPress per gli appunti di meccanica quantisticadi Enrico Fermi: e costituirebbero un ottimotesto moderno (dopo oltre cinquant’anni!)di Istituzione di fisica teorica.2. – Il Concorso a Cattedre del 19372.1. – Dall’Archivio Centrale dello StatoDopo il concorso del 1926, in cui ottennerola cattedra Fermi, Persico e Pontremoli, passaronoaltri dieci anni prima che si aprisse,nel 1937, un nuovo concorso per la fisica teorica,richiesto dall’università di Palermo peropera di Emilio Segré. Le vicende di questoConcorso, e specialmente i suoi antecedenti,hanno dato luogo nel 1975 ad una vivace polemicatra Leonardo Sciascia, Edoardo Amaldi,e altri (Segré, Zichichi, e chi scrive).Qui ci limiteremo, secondo la nostra propensione,a riprodurre i documenti certi, esistentipresso l’Archivio Centrale dello Stato(Serie Direz. Gen. Istruzione Superiore; BustaPersonali –– II a serie; Fascicolo EttoreMajorana): in nostro possesso, questa volta,grazie ad una collaborazione coi ticinesi fratelliDubini, residenti a Colonia. I concorrentifurono numerosi, e molti di essi di elevato valore;soprattutto quattro: Ettore Majorana,Giulio Racah (ebreo, che successivamentepasserà da Firenze in Israele fondandovi lafisica teorica), GianCarlo Wick (di madre torinesee nota antifascista), e Giovanni Gentilejr. (come sappiamo figliolo dell’omonimo filosofo,già ministro –– come si direbbe ora ––della Pubblica Istruzione), ideatore delle «parastatistiche»in meccanica quantica. La commissionegiudicatrice era costituita da: EnricoFermi (presidente), Antonio Carrelli, OrazioLazzarino, Enrico Persico e Giovanni Polvani.Il verbale n.1 recita:«La commissione nominata da S.E. il Ministrodell’Educazione Nazionale, e formata daiProfessori Carrelli Antonio, Fermi S.E. Enrico,Lazzarino Orazio, Persico Enrico, PolvaniGiovanni si è riunita alle ore 16 del giorno 25ottobre 1937-XV in un’aula dell’Istituto Fisicodella R. Università di Roma. La commissionesi è costituita nominando come Presidente S.E.Fermi, e come Segretario Carrelli.Dopo esauriente scambio di idee, la Commissionesi trova unanime nel riconoscere la posizionescientifica assolutamente eccezionale delProf. Majorana Ettore che è uno dei concorrenti.E pertanto la Commissione decide di inviareuna lettera e una relazione a S.E. il Ministroper prospettargli l’opportunità di nominareil Majorana professore di Fisica Teorica peralta e meritata fama in una Università del Regno,indipendentemente dal concorso chiestodalla Università di Palermo. La Commissione,in attesa di ricevere istruzioni da S.E. il Ministro,si aggiorna fino a nuova convocazione.La seduta è tolta alle ore 19. Letto approvatoe sottoscritto seduta stante.E. Fermi, O. Lazzarino,E. Persico, G. Polvani, A. Carrelli.»La lettera inviata lo stesso giorno a S.E. ilMinistro, sulla quale il ministro GiuseppeBottai vergò a mano la parola «Urgente», ripeteil contenuto del verbale, dichiarando ilProf. Majorana Ettore avere tra i concorrentiuna posizione scientifica nazionale e internazionaledi tale risonanza che«la Commissione esita ad applicare a lui laprocedura normale dei concorsi universitari».Tale lettera ha un allegato, Relazione sullaattività scientifica del Prof. Ettore Majorana;firmata, come sempre, nell’ordine: Fermi,Lazzarino, Persico, Polvani e Carrelli. Vediamola:«Prof. Majorana Ettore si è laureato in Fisicaa Roma nel 1929. Fin dall’inizio della suacarriera scientifica ha dimostrato una profonditàdi pensiero ed una genialità di concezioneda attirare su di lui la attenzione degli studiosi

E. RECAMI: ETTORE MAJORANA: L’OPERA SCIENTIFICA EDITA E INEDITAdi Fisica Teorica di tutto il mondo. Senza elencarnei lavori, tutti notevolissimi per l’originalitàdei metodi impiegati e per l’importanza deirisultati raggiunti, ci si limita qui alle seguentisegnalazioni:Nelle teorie nucleari moderne il contributoportato da questo ricercatore con la introduzionedelle forze dette “Forze di Majorana” èuniversalmente riconosciuto tra i piú fondamentali,come quello che permette di comprendereteoricamente le ragioni della stabilità deinuclei. I lavori del Majorana servono oggi dibase alle piú importanti ricerche in questocampo.Nell’atomistica spetta al Majorana il meritodi aver risolto, con semplici ed eleganti considerazionidi simmetria, alcune tra le piú intricatequestioni sulla struttura degli spettri.In un recente lavoro infine ha escogitato unbrillante metodo che permette di trattare inmodo simmetrico l’elettrone positivo e negativo,eliminando finalmente la necessità di ricorrereall’ipotesi estremamente artificiosa ed insoddisfacentedi una carica elettrica infinitamentegrande diffusa in tutto lo spazio, questioneche era stata invano affrontata da moltialtri studiosi».Uno dei lavori piú importanti di Ettore,quello in cui introduce la sua “equazione ainfinite componenti” (di cui diciamo nella sezione5.4), non è menzionato: ancora non erastato capito. È interessante notare, però, cheviene dato giusto rilievo alla sua teoria simmetricaper l’elettrone e l’anti-elettrone (oggiin auge, per la sua applicazione a neutrinie anti-neutrini); e a causa della capacità dieliminare l’ipotesi cosiddetta “del mare diDirac” (P.A.M. Dirac, premio Nobel 1933):ipotesi che viene definita “estremamente artificiosae insoddisfacente”, nonostante cheessa dai piú sia sempre stata accettata inmaniera acritica. E questo tocco di originalitàin un documento burocratico è rallegrante;e l’argomento ci trova del tutto consenzienti.Una volta attribuita la cattedra a Ettore“fuori concorso” –– applicando una legge cheera stata usata per dare una cattedra universitaria,appunto fuori concorso, a GuglielmoMarconi (premio Nobel 1909) ––, la commissioneriprendeva i suoi lavori giungendo all’unanimitàalla formazione della terna vincente:1 o ) Gian Carlo Wick; 2 o ) Giulio Racah;3 o ) Giovannino Gentile. Wick andò a Palermo,Racah a Pisa, e Gentile jr. a Milano. GiovanninoGentile, grande amico di Ettore 3 , scompariràprematuramente nel 1942.3. – L’opera scientifica«En science, nous devons nous intéresseraux choses, non aux personnes», ebbe a doverdire la polacca Marya SklNodowska in Curie(Madame Curie: premio Nobel 1903-Fisicae 1911-Chimica).Ettore scrisse pochi articoli scientifici: nove;oltre allo scritto semi-divulgativo “Il valoredelle leggi statistiche nella fisica e nellescienze sociali”, pubblicato postumo su Scientia(36 (1942) 55-66) a cura di G. Gentile. Siricordi che Majorana passò da ingegneria afisica nel 1928 (anno in cui pubblicò già unarticolo, il primo: scritto insieme con l’amicoGentile), e poi si dedicò alla fisica teorica soloper pochissimi anni, fino al 1933.Ma Ettore ci ha lasciato anche vari manoscrittiscientifici inediti, pure depositati pressola “Domus Galilaeana”; di cui abbiamo redattoun catalogo in collaborazione con M.Baldo e R. Mignani. L’analisi di questi manoscrittipermette di rilevare: 1) come Ettorefosse estremamente diligente e preciso nel lavoro.Tutte le sue scoperte risultano preceduteda una indefessa serie di calcoli, fatti e rifatti:anche per i piú dotati, naturalmente, lascienza non può essere solo un semplice giocodi intuizioni, come invece la leggenda avevavoluto farci credere; 2) che fra il materialeinedito molti spunti hanno ancora interessescientifico attuale (insieme coi colleghi citati,abbiamo operato una selezione: alcune centinaiadi pagine (trasmesse in copia anche alCenter for History of Physics dell’A.I.P.,New York, e relativa “Niels Bohr Library”)possono ancora essere utili per la ricerca contemporanea;ma solo poche pagine sono stateda noi interpretate e pubblicate 4 ; 3) che tuttoil materiale esistente sembra scritto entro il1933 (anche la bozza dell’ultimo articolo, sulla3Due belle e interessanti lettere di Ettore a GiovanninoGentile ci sono recentemente pervenute grazie al corteseinteressamento di L. Sciascia, L. Canfora e F. Valentini.4M. Baldo, R. Mignani e E. Recami: «About a Dirac-likeequation for the photon, according to Ettore Majorana»,Lett. Nuovo Cimento 11 (1974) 568, interessante pure ai finidi una possibile interpretazione fisica della funzione d’ondadel fotone. Ved. anche E. Giannetto, Lett. Nuovo Cimento 44(1985) 140 e 145; e S. Esposito, Found. Phys. 28 (1998) 231.17

E. RECAMI: ETTORE MAJORANA: L’OPERA SCIENTIFICA EDITA E INEDITApropria antiparticella: ed Ettore suggerisceche i neutrini possano essere particelle diquesto tipo.Ettore ci teneva molto a questa sua elaborazioneteorica; ciò è testimoniato da Carrelli,che ne discusse con Ettore durante il breveperiodo di lezioni a Napoli.Come per altri scritti di Majorana, anchequesto articolo ha cominciato ad avere fortunasolo vent’anni dopo, a partire dal 1957.Dopo di che ha goduto di fama via via crescentetra i fisici delle particelle relativistichee delle teorie di campi 7 . Ora sono di granmoda espressioni come «spinori di Majorana»,«massa di Majorana», «neutrini di Majorana».Le pubblicazioni di Majorana (ancora poconote, nonostante tutto) sono per la Fisica unaminiera. Recentemente, ad esempio, CarloBecchi ha osservato come nelle prime paginedi questo scritto si trovi una formulazioneestremamente chiara del principio d’azionequantistico, che in anni successivi, attraversoi lavori di Schwinger e Symanzik, ha portatoagli sviluppi recenti piú importanti di teoriadei campi quanto-relativistici.3.6. – Esistono altri manoscritti scientificiinediti?Tornando alla lettera del 18 febbraio al padre,in essa troviamo una notizia molto interessante:«Pubblicherò in tedesco, estendendolo,anche l’ultimo mio articolo apparso sul“Nuovo Cimento”». Questo progetto non verràpoi realizzato; ma è importante che Ettoreavesse in mente di generalizzare il lavoro incui aveva introdotto la sua equazione a infinitecomponenti. Anzi, la questione diviene delmassimo rilievo quando si leggano le lettereinviate in quel periodo al CNR (ritrovatepresso gli archivi del C.N.R., e a me pervenuteattraverso la cortesia di G. Fioravanti esoprattutto del collega M. De Maria). Nellaprima (21.1.33) Ettore specifica: «Attendo attualmentealla elaborazione di una teoriaper la descrizione di particelle con momento7Nel 1981, ad esempio, una rivista giapponese di fisicaha ripubblicato in lingua inglese (con traduzione a curadi Luciano Maiani) questo articolo di circa quarantacinqueanni prima.intrinseco arbitrario che ho iniziata in Italia,e di cui ho dato notizia sommaria nelNuovo Cimento (in corso di stampa)...». Nellaseconda (3.3.33) dichiara addirittura, riferendosial medesimo lavoro: «Ho inviato allaZeitschrift für Physik un articolo sulla teoriadei nuclei. Ho pronto il manoscritto diuna nuova teoria delle particelle elementarie lo invierò alla stessa rivista fra qualchegiorno...». Se ricordiamo che l’articolo quiconsiderato come “notizia sommaria” di unanuova teoria era già di altissimo livello, sicomprende come sarebbe di enorme interessescoprire una copia della teoria completa: laquale nel marzo 1933 aveva già assunto laforma di un manoscritto compiuto, forse giàdattiloscritto in lingua tedesca.Ma Ettore non ne fece piú nulla; tanto chenella sua relazione finale (14.9.33) al CNRnon la menziona neppure piú: era divenutatabù. Dopo avervi ricordato l’articolo sulla“Teoria dei nuclei”, infatti, Majorana passasubito a parlare delle ricerche iniziate nelsecondo periodo di Lipsia: «Nell’ultimo periododella mia residenza a Lipsia ho iniziatoaltri lavori che non ho potuto in seguito,per motivi di salute, né completare néavvicinare alla conclusione. Credo inutileparlarne». Perché? Perché Ettore, poi, nonne fece niente? Si potrebbe pensare che all’ultimomomento abbia riscontrato qualchegrave errore, che inficiasse la sua nuova teoria.Ma, conoscendo Majorana, non lo riteniamoprobabile. Propendiamo, semmai, perun’altra possibile spiegazione: il referee dellarivista tedesca può avere respinto il suo manoscritto,tanto pionieristico, non avendolocapito (purtroppo l’archivio di quegli annidella Zeitschrift für Physik pare sia andatoperduto durante la Seconda guerra mondiale).Ed Ettore non era persona da mettersi acombattere con gli sciocchi. Il colpo di graziapuò essergli venuto da quei burocrati delCNR i quali pretenderanno che gli articoli diMajorana, che avrebbero recato lustro allamigliore rivista internazionale di fisica,uscissero sulle (allora ancora provinciali) rivistedi lingua italiana. Ettore rispose a tono(il 9.5.33), ma poi potrebbe avere preso ilsopravvento in lui quella noia, quel malessereper la stupidità umana che in un genio, inlui pur cosí affettuoso col prossimo, dovevaagire ancora piú prepotentemente che nei comunimortali.21

IL NUOVO SAGGIATORE22Non dimentichiamo però che la citata letteraa Quirino del 16.1.1936 ci ha rivelato chesuccessivamente Ettore continuò a lavorarein fisica teorica, occupandosi a fondo –– per lomeno –– di elettrodinamica quantistica. Dovesono finiti gli appunti, gli scritti, gli articolirelativi a tutta questa attività?In seguito ad una approfondita ricerca 8 effettuata–– in qualità di regista televisivo ––per conto della Rai-3, Sede di Palermo, BrunoRusso ha rintracciato e opportunamenteintervistato, nel 1990, gli studenti che seguironole lezioni universitarie tenute da Majoranaa Napoli nei primi mesi del 1938. Si ècosí venuti a sapere che Majorana, il giornoprima di salpare da Napoli (e successivamentesparire), consegnò alla propria studentessaSig.na Gilda Senatore (ora Prof.ssa Senatore)una cartelletta di carte scientifiche. Si ha ragionedi credere che tale cartelletta contenesseanche alcuni almeno dei risultati del lavorosvolto da Majorana, in isolamento (e senzapubblicarne nulla: eccezion fatta per il materialeconfluito nella “tarda” pubblicazionen. 9), tra il 1933 e il 1938. Tali risultati sarebberodi straordinaria importanza, piú ancorache storica, per la stessa fisica teorica contemporanea.Avvenne che la Sig.na Senatore mostrò imanoscritti di Majorana al Dottor Cennamo,suo futuro marito, allora Assistente del DirettoreAntonio Carrelli, e questi ritenne opportunoconsegnarli –– in via burocratica egerarchica –– al Professor Carrelli; e, perquanto a noi ora consta, essi si persero. Taleperdita, per la fisica teorica moderna, è davverograve. Al riguardo ha dato nuova, ampia,interessante testimonianza la stessaProf.ssa Gilda Senatore, durante le celebrazioniorganizzate nel 1998 dalla memore Universitàdi Napoli per i sessant’anni dallascomparsa di Majorana.3.7. – Testimonianze di colleghiMolte altre idee di Ettore, quando non restarononella sua mente, hanno lasciato tracciasoltanto nelle sue carte inedite, o nellamemoria dei colleghi.Una delle testimonianze piú interessantiche abbiamo raccolto è di GianCarlo Wick.Da Pisa il 16 Ott. 1978 scrive:«Caro Prof. Recami: ...Il contatto scientifico(tra me ed Ettore) di cui le accennò Segré nonavvenne a Lipsia, ma a Roma in occasione delCongresso Volta (dunque assai prima del soggiornodi Majorana a Lipsia). La conversazioneebbe luogo in un ristorante, in presenza diHeitler, e dunque senza lavagna né formulescritte; ma nonostante l’assenza di dettagliquello che Majorana descrisse a parole era una“teoria relativistica di particelle cariche di spinzero basata sull’idea di quantizzazione deicampi” (seconda quantizzazione). Quando assaipiú tardi vidi il lavoro di Pauli 9 e Weisskopfrimasi assolutamente convinto che quello cheMajorana aveva descritto fosse la stessa cosa.Beninteso, Majorana non pubblicò nulla e probabilmentenon ne parlò a molti. Non ho nessunissimaragione di pensare che Pauli e Weisskopfne sapessero nulla... –– Cordialmente ––Suo G.C. Wick».E dal M.I.T. (Cambridge, Mass.), il 16maggio 1984, Victor Weisskopf ci scriverà:«Dear Dr.Recami: ... I am very glad thatyou have found a letter in which Majoranasays that he had good relations with me... Ihave only a vague recollection that I did havea discussion (at Copenhagen, in 1933), withMajorana about the newest developments inquantum electrodynamics». 10L’articolo di Pauli e Weisskopf a cui accennaGianCarlo Wick uscí nel 1934 (HelveticaPhysica Acta 7 (1934) 709). Continua Wick«... Non ebbi mai occasione in seguito di parlarea Heitler di questo episodio ... Non ci sarebbeda stupirsi se se ne fosse dimenticato, perchéMajorana aveva parlato della cosa con queltono distaccato e ironico che spesso usava anchea proposito delle cose sue. Insomma, senzadarsi importanza...».8B. Russo: «Ettore Majorana –– Un giorno di marzo»,programma televisivo trasmesso il 18.12.90 (Rai Tre ––Sicilia).9Premio Nobel 1945.10«Sono molto contento che lei abbia trovato una letterain cui Majorana dice che avere buoni rapporti con me ...Io ricordo solo vagamente che ebbi in effetti [a Copenaghen,nel 1933] a discutere con Majorana intorno ai piúrecenti sviluppi dell’elettrodinamica quantistica».

E. RECAMI: ETTORE MAJORANA: L’OPERA SCIENTIFICA EDITA E INEDITAUn’altra testimonianza ci giunge, anche seindirettamente, dalla grande e tragica figuradi Bruno Touschek. Il 29.10.76 da Rieti ciscriveva infatti Eliano Pessa:«Abbiamo discusso con Touschek il tuo lavorosu Majorana 11 in Scientia 110 (1975) 577; haavuto da dire per ciò che riguarda il tuo elencodelle opere scientifiche di Majorana a pag. 585.Secondo lui si dovrebbe aggiungere la teoriadell’“oscillatore di Majorana”, che è implicitamentecontenuta nella sua teoria del neutrino.L’oscillatore di Majorana è descritto daun’equazione del tipo q¨1v 2 q4end(t), dove eè una costante e d è la funzione delta di Dirac.Secondo Touschek le proprietà di questo oscillatorepresentano un notevole interesse, specieper ciò che riguarda lo spettro energetico. Nonvi è, comunque, una bibliografia in merito...».Il problema, in verità, sembra essere nontanto quello di risolvere l’equazione (ben nota),quanto di intendere cosa avesse in mente(quali condizioni al contorno, ad esempio)Bruno Touschek.3.8. – WataghinApprofittiamo, infine, dei ricordi di Wataghinper ritornare ai giorni di Lipsia. GlebWataghin, il noto fisico italiano di origineucraina recentemente scomparso, fondatoredella fisica brasiliana, ce ne ha lasciato unatestimonianza nel 1975 presso l’Università diCampinas (Stato di San Paolo del Brasile), inuna intervista raccolta in lingua portoghesepresso l’Istituto di Fisica che da lui prende ilnome. Il linguaggio, ovviamente, è colloquiale:«A Lipsia, ove lavorava Heisenberg, incontraiJordan, Debye, Max Born che vi stava arrivando,ed anche Ettore Majorana: giovaneche pareceu, como era realmente, um verdadeirogenio... Il cameratismo, l’amicizia esistentetra gli scienziati... si manifestava, peresempio, nel modo in cui si svolgevano le discussioniscientifiche, cosí come le manifestazionisportive. A Lipsia ci si riuniva, per unseminario di due ore, dalle due alle quattro delpomeriggio. Di mattina i teorici dormono. 1211E. Recami: «Nuove notizie sulla scomparsa del fisicoE. Majorana», Scientia 110 (1975) 577-598.12Ricordiamo la «definizione» di fisica di Orear: «La Fisicaè quella cosa che fanno i fisici la sera tardi»Dopo si andava a giocare a ping-pong nella migliorebiblioteca, su un tavolo per gli studenti.Posso dire che il campione era Heisenberg. Poisi andava a piedi in una birreria, e magari sigiocava a scacchi. Si giocava a scacchi ancheall’Istituto di fisica. Poiché Heisenberg erauno dei direttori, nessuno protestava che sigiocasse a ping-pong o a scacchi in biblioteca:cosa impensabile, a quel tempo, in altri Istituti...Ai seminari giungeva gente di tutto il mondo.Per esempio, ricordo che una volta il seminariofu tenuto da Norzig e un suo collega: furonoobbligati a una discussione molto impegnativadepois das perguntas que faziam oHeisenberg e o Ettore Majorana (a seguitodelle domande che fecero H. ed E.M.)».Ancora, dichiara Wataghin nell’intervista:«Vorrei ricordare in particolare la figura diMajorana, che –– secondo il giudizio di molti, ein particolare dello stesso Fermi –– era un genioeccezionale... Ammalato, soffriva di ulcera,mangiava quasi esclusivamente latte; non praticavasport o ginnastica; molte volte facevadelle lunghe passeggiate da solo. Poco comunicativo.Ma lo incontravamo ogni tanto, il sabato.Era molto critico: trovava che toda genteque ele encontrava era não preparada, ouestúpida, etc. Si occupava molto di leggi statisticheapplicate alla materia nucleare... Lasimmetria di scambio tra protoni e neutronipoteva essere completa, compresi carica espin; o riguardare solo la carica, o lo spin. Ciònon era stato proposto o studiato da altri. E lasimmetria per scambio delle sole posizioni diprotoni e neutroni (senza toccare lo spin) permettevadi comprendere statisticamente perchéla materia nucleare dovesse avere una densitàcostante... Il che faceva sí che la teoria diMajorana avesse un grande vantaggio rispettoa quella proposta da Heisenberg».3.9. – P.S.: Gli appunti per la lezione inaugurale(13.1.38)In questa prima lezione di carattere introduttivoillustreremo brevemente gli scopi dellafisica moderna e il significato dei suoi metodi,soprattutto in quanto essi hanno di piúinaspettato e originale rispetto alla fisicaclassica.La fisica atomica, di cui dovremo principalmenteoccuparci, nonostante le sue numerosee importanti applicazioni pratiche –– e quelledi portata piú vasta e forse rivoluzionaria che23

IL NUOVO SAGGIATORE24l’avvenire potrà riservarci ––, rimane anzituttouna scienza di enorme interesse speculativo,per la profondità della sua indagine cheva veramente fino all’ultima radice dei fattinaturali. Mi sia perciò consentito di accennarein primo luogo, senza alcun riferimento aspeciali categorie di fatti sperimentali e senzal’aiuto del formalismo matematico, ai caratterigenerali della concezione della naturache è accettata nella nuova fisica.La fisica classica (di Galileo e Newton) all’iniziodel nostro secolo era interamente legata,come si sa, a quella concezione meccanicisticadella natura che dalla fisica è dilagatanon solo nelle scienze affini, ma anchenella biologia e perfino nelle scienze sociali,informando di sé in tempi a noi abbastanzavicini tutto il pensiero scientifico e buonaparte di quello filosofico; benché, a dire il vero,l’utilità del metodo matematico che ne costituivala sola valida giustificazione sia rimastasempre circoscritta esclusivamente allafisica.Questa concezione della natura poggiavasostanzialmente su due pilastri: l’esistenzaoggettiva e indipendente della materia, e ildeterminismo fisico. In entrambi i casi sitratta, come vedremo, di nozioni derivate dall’esperienzacomune e poi generalizzate e reseuniversali e infallibili soprattutto per il fascinoirresistibile che anche sugli spiriti piúprofondi hanno in ogni tempo esercitato leleggi esatte della fisica, considerate veramentecome il segno di un assoluto e la rivelazionedell’essenza dell’universo: i cui segreti, comegià affermava Galileo, sono scritti in caratterimatematici.L’oggettività della materia è, come dicevo,una nozione dell’esperienza comune, poichéquesta insegna che gli oggetti materiali hannoun’esistenza a sé, indipendente dal fattoche essi cadano o meno sotto la nostra osservazione.La fisica matematica classica ha aggiuntoa questa constatazione elementare laprecisazione o la pretesa che di questo mondooggettivo è possibile una rappresentazionementale completamente adeguata alla suarealtà, e che questa rappresentazione mentalepuò consistere nella conoscenza di un seriedi grandezze numeriche sufficienti a determinarein ogni punto dello spazio e in ogniistante lo stato dell’universo fisico.Il determinismo è invece solo in parte unanozione dell’esperienza comune. Questa dà infattial riguardo delle indicazioni contraddittorie.Accanto a fatti che si succedono fatalmente,come la caduta di una pietra abbandonatanel vuoto, ve ne sono altri –– e non solonel mondo biologico –– in cui la successionefatale è per lo meno poco evidente. Il determinismoin quanto principio universale dellascienza ha potuto perciò essere formulato solocome generalizzazione delle leggi che reggonola meccanica celeste. È ben noto che unsistema di punti –– quali, in rapporto alle loroenormi distanze, si possono considerare icorpi del nostro sistema planetario –– si muovee si modifica obbedendo alle leggi di Newton...(omissis)... Ne segue che la configurazionefutura del sistema può essere previstacon il calcolo purché se ne conosca lo statoiniziale (cioè l’insieme delle posizioni e velocitàdei punti che lo compongono). E tutti sannocon quale estremo rigore le osservazioniastronomiche abbiano confermato l’esattezzadella legge di Newton; e come gli astronomisiano effettivamente in grado di prevederecon il suo solo aiuto, e anche a grandi distanzedi tempo, il minuto preciso in cui avràun’eclisse, o una congiunzione di pianeti o altriavvenimenti celesti.Per esporre la meccanica quantistica nelsuo stato attuale esistono due metodi pressochéopposti. L’uno è il cosiddetto metodo storico:ed esso spiega in qual modo, per indicazioniprecise e quasi immediate dell’esperienza,sia sorta la prima idea del nuovo formalismo;e come questo si sia successivamentesviluppato in una maniera obbligata assai piúdalla necessità interna che non dal tenereconto di nuovi decisivi fatti sperimentali.L’altro metodo è quello matematico, secondo ilquale il formalismo quantistico viene presentatofin dall’inizio nella sua piú generale e perciòpiú chiara impostazione, e solo successivamentese ne illustrano i criteri applicativi. Ciascuno diquesti due metodi, se usato in maniera esclusiva,presenta inconvenienti molto gravi.È un fatto che, quando sorse la meccanicaquantistica, essa incontrò per qualche tempopresso molti fisici sorpresa, scetticismo eperfino incomprensione assoluta, e ciò soprattuttoperché la sua consistenza logica,coerenza e sufficienza appariva, piú che dub-

E. RECAMI: ETTORE MAJORANA: L’OPERA SCIENTIFICA EDITA E INEDITAbia, inafferrabile. Ciò venne anche, benchédel tutto erroneamente, attribuito a una particolareoscurità di esposizione dei primicreatori della nuova meccanica; ma la verità èche essi erano dei fisici, e non dei matematici,e che per essi l’evidenza e giustificazione dellateoria consisteva sotrattutto nell’immediataapplicabilità ai fatti sperimentali che l’avevanosuggerita. La formulazione generale,chiara e rigorosa è venuta dopo, e in parteper opera di cervelli matematici. Se dunquenoi rifacessimo semplicemente l’esposizionedella teoria secondo il modo della sua apparizionestorica, creeremo dapprima inutilmenteuno stato di disagio o di diffidenza, che haavuto la sua ragione d’essere ma che oggi nonè piú giustificato e può essere risparmiato.Non solo, ma i fisici –– che sono giunti, nonsenza qualche pena, alla chiarificazione deimetodi quantistici attraverso le esperienzementali imposte dal loro sviluppo storico ––hanno quasi sempre sentito a un certo momentoil bisogno di una maggiore coordinazionelogica, di una piú perfetta formulazionedei princípi, e non hanno sdegnato per questocompito l’aiuto dei matematici.Il secondo metodo, quello puramente matematico,presenta inconvenienti ancora maggiori.Esso non lascia in alcun modo intenderela genesi del formalismo e in conseguenzail posto che la meccanica quantistica ha nellastoria della scienza. Ma soprattutto esso deludenella maniera piú completa il desideriodi intuirne in qualche modo il significato fisico,spesso cosí facilmente soddisfatto dalleteorie classiche. Le applicazioni, poi, benchéinnumerevoli, appaiono rare, staccate, perfinomodeste di fronte alla sua soverchia e incomprensibilegeneralità.Il solo mezzo di rendere meno disagevole ilcammino a chi intraprende oggi lo studio dellafisica atomica, senza nulla sacrificare dellagenesi storica delle idee e dello stesso linguaggioche dominano attualmente, è di premettereun’esposizione il piú possibile ampiae chiara degli strumenti matematici essenzialidella meccanica quantistica, in modo cheessi siano già pienamente familiari quandoverrà il momento di usarli e non spaventinoallora o sorprendano per la loro novità: e sipossa cosí procedere speditamente nella derivazionedella teoria dai dati dell’esperienza.Questi strumenti matematici in gran partepreesistevano al sorgere della nuova meccanica(come opera disinteressata di matematiciche non prevedevano un cosí eccezionale campodi applicazione), ma la meccanica quantisticali ha «sforzati» e ampliati per soddisfarealle necessità pratiche; cosí essi non verrannoda noi esposti con criteri di matematici, ma difisici. Cioè senza preoccupazioni di un eccessivorigore formale, che non è sempre facile araggiungersi e spesso del tutto impossibile.La nostra sola ambizione sarà di esporrecon tutta la chiarezza possibile l’uso effettivoche di tali strumenti fanno i fisici da oltre undecennio, nel quale uso –– che non ha maicondotto a difficoltà o ambiguità –– sta lafonte sostanziale della loro certezza.Ettore Majorana4. – Elenco delle Pubblicazioni di EttoreMajoranaIn un articolo in corso di stampa sui Quadernidi Storia della Fisica del «Giornale diFisica» (articolo molto piú ricco anche dalpunto di vista biografico) elencheremo i manoscrittiscientifici inediti lasciati dal Majorana(fornendo in particolare il catalogo deisuoi «Quaderni»). Qui seguiranno solo brevicenni di tale materiale scientifico inedito.Cominciamo col ricordare gli scritti da Majoranapubblicati: i quali pure, come già sidiceva, sono una miniera ancora parzialmenteinesplorata di idee e di tecniche di alta fisicateorica. Abbiamo già detto, per fare solo unesempio, che nell’articolo n. 6 (quello in cuiviene scoperto l’effetto Majorana-Brossel)Ettore introdusse anche la “Sfera di Majorana”per rappresentare spinori mediante puntisu di una superficie sferica. Tale invenzione ènota solo da quando R. Penrose, accortosenein anni non lontani, ne ha fatto opportunapropaganda in 300 Years of Gravity, a cura diS. W. Hawking W. Israel (Cambridge UniversityPress; 1987). Questa “Sfera” viene attualmentestudiata da un gruppo di Palermo(C. Leonardi, F. Lillo, A. Vaglica e G. Vetri:ved. la Bibliografia).1 ––“Sullo sdoppiamento dei termini Roentgenottici a causa dell’elettrone rotantee sulla intensità delle righe del Cesio”,in collaborazione con Giovanni GentileJr.: Rendiconti Accademia Lincei, vol.8, pp. 229–233 (1928).25

IL NUOVO SAGGIATORE262 ––“Sulla formazione dello ione molecolaredi He”: Nuovo Cimento, vol. 8, pp. 22-28(1931).3 ––“I presunti termini anomali dell’Elio”:Nuovo Cimento, vol. 8, pp. 78-83 (1931).4 ––“Reazione pseudopolare fra atomi diIdrogeno”: Rendiconti Accademia Lincei,vol. 13, pp. 58-61 (1931).5 ––“Teoria dei tripletti P8 incompleti”:Nuovo Cimento, vol. 8, pp. 107-113(1931).6 ––“Atomi orientati in campo magnetico variabile”:Nuovo Cimento, vol. 9, pp. 43-50 (1932).7 ––“Teoria relativistica di particelle conmomento intrinseco arbitrario”: NuovoCimento, vol. 9 , pp. 335-344 (1932).8 ––“Über die Kerntheorie”: Zeitschrift fürPhysik, vol. 82, pp. 137-145 (1933).8bis –– “Sulla teoria dei nuclei”: La RicercaScientifica, vol. 4 (1), pp. 559-565 (1933).9 ––“Teoria simmetrica dell’elettrone e delpositrone”: Nuovo Cimento, vol. 14, pp.171-184 (1937).10 ––“Il valore delle leggi statistiche nella fisicae nelle scienze sociali” (pubblicazionepostuma, a cura di G. Gentile Jr.):Scientia, vol. 36, pp. 55-66 (1942).Alcuni commenti:7. È il famoso articolo con l’equazionequanto-relativistica a infinite componenti8. È l’articolo con le «forze di scambio»nucleari di Majorana-Heisenberg (che spiegaad esempio come esse si saturino per la particellaalfa).9. È il manoscritto che E. M. estrasse dalcassetto nel 1937 (era pronto dal 1932/33), epubblicò, circa i neutrini di Majorana, la“massa di Majorana”, gli spinori di Majorana,etc. All’inizio, esso fu notato quasi soltantoper la presenza della rappresentazione (diMajorana) delle matrici di Dirac.10. È lo scritto, postumo che fu estratto daGiovannino Gentile (figlio di uno dei piú famosifilosofi italiani della prima metà del secolo,cioè dell’ex Ministro dell’EducazioneNazionale G. Gentile sr.) dalle carte lasciateda E. M. Si tratta di un articolo semidivulgativo.Tra parentesi. G. Gentile jr. fu il primoa introdurre le parastatiche (tanto che inAmerica Latina vari autori chiamano «gentilioni»le particelle che obbediscono a parastatistiche).PARTE IIBREVI CENNI SUI MANOSCRITTI SCIENTIFICIINEDITI DI E. MAJORANA1. – IntroduzioneDiamo qui breve notizia dei manoscrittiscientifici inediti lasciati da Ettore Majorana13 e a noi finora noti, e del relativo Catalogo.La maggior parte di tali manoscritti sitrovano presso gli archivi della “Domus Galilaeana”di Pisa. 14 Oltre ai suoi appunti per leproprie lezioni universitarie tenute a Napolitra il Gennaio e il Marzo 1938 –– appunti recentementepubblicati 15 –– essi comprendonoessenzialmente: (a) la tesi di laurea; (b) dodicifascicoli (riordinati da R. Liotta; 16 (c) cinqueVolumetti manoscritti; e (d) diciottoQuaderni.I “Volumetti” sono stati redatti da Majoranatra il 1927 e il 1930, tranne l’ultimo che èstato presumibilmente scritto nel 1932 (nonprima, perché il Volumetto V contiene apag. 8 la schematizzazione dell’interazionenucleare, mediante scattering da buca sfericaa profilo rettangolare, sotto il titolo “Urto traprotoni e neutroni”: e il nome neutrone venneconiato nel 1932(5); 17 e non dopo, perché versoil termine vi si incontrano i prodromi delsuo articolo n. 7, uscito nel 1932). Essi sonoquaderni-libro, ordinatissimi, divisi in capitoli,con pagine numerate e indice. I loro indici13Si vedano ad es. E. Recami: «Ettore Majorana: loscienziato e l’uomo», in bibliografia (3) , pp. 131-174; ed E.Recami: Il caso Majorana: Epistolario, Documenti, Testimonianze,2 a ediz. (Mondadori; Milano, 1991).14Cfr. ad es. E. Amaldi: La vita e l’opera di E. Majorana(Acc. dei Lincei; Roma, 1966).15Ettore Majorana –– Lezioni all’Università di Napoli,a cura di B. Preziosi (Bibliopolis; Napoli, 1987).16R. Liotta: in bibliografia (2) , pag. 91.17Ved. ad esempio P. Caldirola ed E. Recami: Voci«Teorie fondamentali» e «Componenti fondamentali dellamateria», in Scienza e Tecnica del Novecento (EST/Mondadori; Milano, 1977).

E. RECAMI: ETTORE MAJORANA: L’OPERA SCIENTIFICA EDITA E INEDITAsono stati già resi noti da Liotta. (4) Nei Volumetti–– scritti ciascuno nel tempo di un annocirca –– Ettore sintetizza tutto ciò che ritieneessenziale dei suoi studi, prima di studentee poi di ricercatore. Come si è già dettoaltrove, tali Volumetti potrebbero essereriprodotti fotograficamente, cosí come sono,e costituirebbero un ottimo testo moderno diconsultazione in fisica teorica per gli studentiuniversitari di oggi. Essi, tra parentesi,mettono in evidenza una delle caratteristichepiú geniali di Ettore: cioè la capacità di scernerefra tutto il materiale gli elementi matematicie fisici piú importanti per gli sviluppifuturi.2. – I «Volumetti»: CennoA volte i «Volumetti» contengono anchespunti originali. Qui segnaliamo, in breve,quanto segue.Vol. II: nel capitolo 31, a pag. 78, Majoranacerca di ricavare la relazionee 2 4aˇc;Vol. III: nel cap. 18, a pag. 105, sotto il titolo«Matrici di Dirac e Gruppo di Lorentz»(scritto tra il 28.06.29 e il23.04.30), tratta il problema delle rappresentazionidi un numero generico pdi matrici di Dirac con un numero arbitrarion di dimensioni: cioè il problemadell’equazione d’onda relativisticadi un oggetto con spin arbitrarioin uno spazio-tempo p-dimensionale;Il materiale che richiama la maggior attenzioneè costituito dai diciotto Quaderni scientifici,in cui Ettore stende le parti piú importantidelle sue ricerche a noi note (dopo i primitentativi eseguiti, insieme coi calcoli numerici,su fogli a parte: raccolti ora nei fascicoli).Di questi Quaderni agli inizi degli annisettanta non esisteva ancora alcun catalogoaccettabile, dato che in Bibliografia (4) eranostati solo elencati i «titoli» che Majoranastesso, saltuariamente e casualmente, avevavoluto mettere all’inizio di qualche sua indagineteorica: salvo poi, magari, interromperetale indagine dopo mezza pagina per iniziarne–– senza alcun segnale –– una diversa, continuandolaper parecchie pagine. In tali anni,quindi, ci si accinse a redarne un Catalogo(ved. bibliografia), che qua e là presenta ancoraqualche incertezza.I Quaderni non recano date, e la loro numerazione(preesistente al nostro intervento)non segue l’ordine cronologico: per esempio,Ettore compilò il Quaderno IX ancora da studente.Osserviamo, tra parentesi, come l’esamedei manoscritti inediti suggerisca che ancheil materiale per l’articolo n. 9 (pubblicatosolo nel 1937, alle soglie del Concorso a cattedreuniversitarie) sia stato sostanzialmentepreparato da Ettore entro il 1933.Naturalmente tra il materiale inedito (enon solo nei Quaderni) molti spunti e molteidee hanno ancora interesse scientifico attuale;noi abbiamo operato una selezione di talemateriale: alcune centinaia di pagine (trasmessein copia anche al Center for Historyof Physics dell’A.I.P., New York, e relativaNiels Bohr Library) possono essere ancorautili per la ricerca contemporanea. Una piccolaparte di esse sono state da noi studiate,18, 19interpretate e pubblicate.27Vol. V: nel cap. 2, a pag. 8, tratta –– come si èdetto –– dell’urto fra il protone e l’appenascoperto neutrone (prescindendodallo spin del neutrone: “se esiste”,dice); nel cap. 8, a pag. 36, cominciala trattazione delle rappresentazioniunitarie a infinite dimensionidel gruppo di Lorentz, che sfocerànell’articolo n. 7 del 1932.3. – I Quaderni Scientifici18M. Baldo, R. Mignani E. Recami: «About a Dirac-likeequation for the photon, according to Ettore Majorana»,Lett. Nuovo Cimento 11 (1974) 568; E. Recami: «Possiblephysical meaning of the photon wave-function accordingto E. Majorana», in Hadronic Mechanics and Non-PotentialInteractions, a cura di M. Mijatovich (Nova Sc.Pub.; New York, 1990), p. 231.19E. Giannetto: Lett. Nuovo Cimento 44 (1985) 140; 44(1985) 145; E. Giannetto: in Atti IX Congresso Naz.leStoria della Fisica, a cura di F. Bevilacqua (Milano,1988); E. Giannetto: «E. Majorana and the rise of Elementaryparticle theoretical physics», accettato per lapubblicazione su Physics; «On Majorana’s theory of arbitraryspin particles», in corso di stampa sui Proceedingsof the School on the Scientific Heritage of E.Majorana -Erice, 1989; «E. Majorana e il problema degli stati adenergia negativa», in corso di stampa sugli Atti del Convegnosui Beni Culturali - Pavia, 1990.

IL NUOVO SAGGIATORE28Il Catalogo dei Quaderni (a suo tempo redattoa cura di M. Baldo, R. Mignani e E. Recami)è in stampa sui Quaderni di Storia dellaFisica del «Giornale di Fisica».RingraziamentiPer la fattiva collaborazione ai fini dellarealizzazione di questo lavoro, l’autore è moltograto a Marcello Baldo, Franco Bassani,Francisco Caruso, Carlo Castagnoli, Francescodel Franco, Francisca V. Fortaleza-Gomes,Mário Giambiagi, J. Leite Lopes, EttoreMajorana Jr., Alwyn van der Merwe, RobertoMignani, A. Oleandri, Pio Picchi, Bruno Preziosi,Renato A. Ricci, Míriam Segre Giambiagi,Amós Troper, Pasquale Tucci e CarmenVasini, oltre che alla famiglia Majoranadi Roma e Catania, e alla “Domus Galilaeana”di Pisa (Prof. Derenzini, Prof. Maccagni,Prof. C.A. Segnini, Dr.ssa A. Colotto, Dr. D.Ronco, Dr. Tricarichi, Sig.na Puccianti, e Sig.Guerri). Ringrazia inoltre, per la generosacooperazione, Dharam Ahluwalia, EdoardoAmaldi, Carlo Becchi, Gilberto Bernardini,Nicola Cabibbo, Giuseppe Cocconi, Aldo Covello,Mimmo De Maria, Antonino Drago, Donatelloe Fosco Dubini, Salvatore Esposito,Myron Evans, Alberto Gabriele, Enrico Giannetto,Françoise Gueret, Philippe Gueret, AntonioInsolia, Francesco Izzo, Corrado Leonardi,Fabrizio Lillo, Annamaria Papa, FrancoRasetti, Umberto Recami, Tina Roberto,Bruno Russo, Laura R. Sansoni, Gianni Sansoni,Edvige Schettino, Leonardo Sciascia,Emilio Segré, Gilda Senatore, Paolo Strolin,Franco Strumia, Alexander Tenenbaum, EttoreG. Vaccaro, Victor Weisskopf e GiancarloWick.Bibliografia–– AA.VV.: Scienziati e tecnologi contemporanei: EnciclopediaBiografica, 3 voll., a cura di E.Macorini (Milano,1974).–– E. Amaldi: La Vita e l’Opera di E. Majorana (Accademiadei Lincei; Roma, 1966).–– E. Amaldi: «Ettore Majorana: Man and Scientist», inStrong and Weak Interactions, a cura di A. Zichichi (NewYork, 1966).–– E. Amaldi: «Ricordo di Ettore Majorana», in Giornale diFisica 9 (1968) 300.–– E. Amaldi: «From the discovery of the neutron to the discoveryof nuclear fission», in Phys. Rep. 111 (1984) 1-322.–– E. Amaldi: in Il Nuovo Saggiatore 4 (1988) 13.–– M. Baldo, R. Mignani e E. Recami: «Catalogo dei manoscrittiscientifici inediti di E. Majorana», in E. Majorana– Lezioni all’Università di Napoli (Bibliopolis; Napoli,1987), p. 175.–– M. Bunge: La Causalità (Torino, 1970).–– F. L. Cavazza e S. R. Granbard: Il Caso Italiano: ItaliaAnni ’70 (Milano, 1974).–– Conferenze e Discorsi di Orso Mario Corbino (Roma,1939).–– D. De Masi (a cura di): L’emozione e la regola: I gruppicreativi in Europa dal 1850 al 1950 (G. Laterza, 1989).–– F. e D. Dubini: «La scomparsa di Ettore Majorana», programmatelevisivo trasmesso nel 1987 (TV svizzera).–– G. Enriques: Via D’Azeglio 57 (Zanichelli; Bologna, 1971).–– S. Esposito: «Covariant Majorana formulation of electrodynamics»,in Found. Phys. 28 (1998) 231-244.–– G. Fraser: in Cern Courier 38, issues no. 5 and 6 (Summerand Sept., 1998).–– M. Farinella: in L’Ora (Palermo), 22 e 23 luglio 1975.–– E. Fermi: «Un maestro: O.M. Corbino», in Nuova Antologia72 (1937) 313.–– L. Fermi: Atomi in Famiglia (Milano, 1954).–– B. Gentile: «Lettere inedite di E. Majorana a G. Gentilejr», in Giornale critico della filosofia italiana (Firenze,1988) p. 145.–– E. Giannetto: «Su alcuni manoscritti inediti di E. Majorana»,in Atti IX Congresso Naz.le di Storia della Fisica, acura di F. Bevilacqua (Milano, 1988) p. 173.–– G. C. Graziosi: «Le lettere del mistero Majorana», in Domenicadel Corriere (Milano), 28 novembre 1972.–– G. Holton: The Scientific Information: Case Studies(Cambridge, 1978).–– C. Leonardi, F. Lillo, A. Vaglica e G. Vetri: «Quantumvisibility, phase-difference operators, and the MajoranaSphere», preprint (Dipartimento di Fisica, Università diPalermo, Italy; 1998), in corso di stampa; «Majorana andFano alternatives to the Hilbert space», in Mysteries,Puzzles, and Paradoxes in Quantum Mechanics, a curadi R. Bonifacio (A.I.P.; Woodbury, N.Y., 1999), pp. 312-315. Ved. anche F. Lillo: «Aspetti Fondamentali nell’Interferometriaa Uno e Due Fotoni», Tesi di Dottorato (relatoreC. Leonardi), Università di Palermo, 1998.–– A. Majorana: «La questione degli spostati e la riformadell’Istruzione Pubblica in Italia», discorso alla Cameradell’ 11 marzo 1899 (Roma, 1899).–– Ettore Majorana –– Lezioni all’Università di Napoli, acura di B. Preziosi (Bibliopolis; Napoli, 1987).–– G., A. e D. Majorana: Della Vita e delle Opere di SalvatoreMajorana Calatabiano (Catania, 1911).–– R. Mignani, E. Recami e M. Baldo: «About a Diraclikeequation for the photon, according to E. Majorana», Lett.Nuovo Cimento 11 (1974) 568.–– R. Penrose: Ombre della Mente (Shadows of the Mind)(Rizzoli; 1996), pp. 338-343 e 371-375.–– R. Penrose: «Newton, quantum theory and reality», in300 Years of Gravity, a cura di S.W. Hawking W. Israel(Cambridge University Press; 1987).–– B. Pontecorvo: Fermi e la Fisica Moderna (Roma, 1972).–– B. Pontecorvo: contributo al Congresso sulla storia dellafisica delle particelle (Parigi, 1982).–– S. Ponz de Leon: «Speciale News: Majorana», trasmessoil 30.9.1987 (Canale Cinque).–– E. Recami: Il caso Majorana: Epistolario, Documenti,Testimonianze, 2 a edizione, nella serie «Oscar» (Mondadori;Milano, 1991), pp. 1-230. (Di questo volume esisteun’ottima traduzione in francese ad opera di F. Ph. Gueret(inedita)).–– E. Recami: «I nuovi documenti sulla scomparsa di E. Majorana»,in Scientia 110 (1975) p. 577.–– E. Recami: in La Stampa (Torino), 1 giugno e 29 giugno1975.–– E. Recami: in Corriere della Sera (Milano), 19 ottobre1982 e 13 dicembre 1983.–– E. Recami: «E. Majorana: lo scienziato e l’uomo», in E.Majorana –– Lezioni all’Università di Napoli (Bibliopolis;Napoli, 1987), p. 131; e «A cinquant’anni dalla scomparsadi E.Majorana», in Mondotre (Siracusa, 1988) p.119.–– E. Recami: in Ciência & Sociedade: PERFIS, a cura di F.Caruso e A. Troper (C.B.P.F.; Rio de Janiero, 1997), pp.107-172.

C. BERNARDINI: BRUNO TOUSCHEK–– V. Reforgiato: Cenni Biografici e Critici su Angelo Majorana(Catania, 1895).–– V. Reforgiato: Raccolta di Recensioni e Giudizi sulleOpere del Prof. Avv. Giuseppe Majorana (Catania, s.d.).–– A. Rocca: Il Liberty a Catania (Catania, 1984).–– B. Russo: «Ettore Majorana –– Un giorno di marzo», programmatelevisivo trasmesso il 18.12.90 (Rai Tre – Sicilia).–– G. Scavonetti: La Vita e l’Opera di Angelo Majorana (Firenze,1910).–– E. Schroedinger: Scienza e Umanesimo (Firenze, 1970).–– L. Sciacca: I Catanesi Com’Erano (Catania, 1975).–– L. Sciascia: La Scomparsa di Majorana (Torino, 1975).–– E. Segré: Enrico Fermi, Fisico (Bologna, 1971).–– E. Segré: Autobiografia di un Fisico (Il Mulino; 1995).–– E. Segré: «Una lettera inedita di E.Majorana», in Storiacontemporanea 19 (1988) p. 107.–– C. Tarsitani: «O.M. Corbino», in Sapere 49 (Roma, 1983),n. 5.–– S. Timpanaro: Pagine di scienza: Leonardo (Milano,1926).–– V. Tonini: «Il Taccuino Incompiuto» (Armando; Roma,1984) (pregevole divagazione, che parte da una tipica finzioneletteraria per indagare liberamente sulla possibile«vita segreta» di E. Majorana).–– G. Wataghin: in Boletím Informativo, Instituto de FísicaGleb Wataghin, Universidade Estadual de Campinas(Unicamp; Campinas, S.P.), 6 e 13 settembre 1982.–– J. Zimba e R. Penrose: Stud. Hist. Phil. Sci. 24 (1993)697.Erasmo Recami, si è laureato in Fisica a Milano nel1964, ottenendo successivamente i gradi R-5 e R-3dell’INFN, e la Libera Docenza (1971) in fisica teorica.La sua attività d’insegnamento, iniziata nel 1968,si è svolta soprattutto presso l’Università di Catania(dove ha tenuto corsi di Teoria delle Reazioni Nucleari,Fisica I e II; Fisica Molecolare, Fisica Superioree Storia della Fisica), e si svolge ora pressol’Università Statale di Bergamo (dove insegna Fisica,e Struttura della materia). Ha insegnato anchepresso l’Università Statale di Campinas (Stato diSan Paolo del Brasile), ove per due anni ha ricopertola carica elettiva di capo del locale Istituto di MatematicaApplicata.Oltre che in Italia e in Brasile, ha svolto ricercascientifica a Austin (Texas), Kiev (ex-Urss), Oxford(UK), Copenaghen (Danimarca), Wrocl C aw (Polonia),ecc. La sua attività di ricerca, espressa in circa duecentopubblicazioni, ha coperto temi di Relatività,Fisica delle particelle, Meccanica quantistica, Fisicanucleare, e Storia della fisica.BRUNO TOUSCHEKCarlo BernardiniDipartimento di Fisica, Università di Roma«La Sapienza» Piazzale A. Moro 2, Roma.Bruno Touschek non sarebbe potuto nascereche a Vienna, come fece il 3 febbraio 1921. Equando sentì che la morte si avvicinava, volletornare in Austria, dove morì assai giovane, il25 maggio 1978. L’Austria di Karl Kraus, diEgon Schiele, di Gustav Klimt e di LudwigWittgenstein: una eccezionale miscela di eleganza,eccentricità e razionalità che in Brunosi riconosceva immediatamente. Guai a nonavere il senso dell’umorismo! Con lui, si rischiavadi soccombere agli scatti di impazienzache accompagnavano una battuta sprecata,un riferimento colto non afferrato. Tuttavia,va detto subito che se Touschek esigeva daicolleghi più illustri e autorevoli di essere all’altezzadella loro posizione accademica, altrettanto,al contrario, era indulgente e disponibilecon i giovani, con gli studenti. E cheseguisse una vocazione tutta particolare perla didattica va ricordato, a suo onore, speciein tempi in cui queste vocazioni si vanno perdendoin una sorta di infondato disprezzo. Ripercorrendole innumerevoli note, scritte coninchiostri nerissimi in una calligrafia un po’ latinae un po’ gotica, su quaderni ordinati a paginenumerate, si scopre in genere che accantoagli embrioni delle sue idee si sviluppano i millemodi per rendere comprensibili le cose della fisica,con particolare riguardo alle formulazionimatematiche e alle tecniche di soluzione.Bruno aveva alcune idee di riferimento, conle quali produceva la maggior parte delle suerappresentazioni mentali. Può apparire presuntuoso,da parte mia, cercare di illustrarequeste idee in modo schematico, ma in tantianni di dimestichezza era impossibile non accorgersene,non scoprirle. Intanto, l’elettrodinamicaquantistica era per lui uno dei passi29

IL NUOVO SAGGIATORE30più importanti di tutta la storia della fisica,buon modello anche per la costruzione delleinterazioni deboli: non a caso era stato un attentoseguace di Wolfgang Pauli sin dagli annidella gioventù (e fu in casa di Bruno cheebbi occasione di incontrare Pauli e di provareuna soggezione indicibile). Il concetto disimmetria discreta è poi un altro dei leitmotivdel suo modo di pensare, e ne troviamoimportanti manifestazioni in lavori degli anni’50 in cui introduce sia la simmetria chirale(la non conservazione della parità era stataappena scoperta) che le speculazioni più importantisul problema dell’inversione temporale.È di quegli anni un sodalizio con LuigiRadicati e Giacomo Morpurgo, nonché conMarcello Cini: alcuni di noi più anziani ricordanoancora la vivacità delle discussioni al secondopiano dell’edificio Marconi all’universitàdi Roma. Molta della fisica teorica di alloraveniva concepita e sviluppata in corridoio, nelbraccio che andava dalla stanza di EdoardoAmaldi a quella di Enrico Persico che, ognitanto, facevano capolino incuriositi e venivanocatturati ed edotti (con Marcello Conversi,che era in posizione mediana).A quel tempo, la fisica italiana delle particelleelementari si stava affrancando dai raggicosmici: a Frascati, era in via di completamentoun sincrotrone per elettroni, sotto ladirezione di Giorgio Salvini. Disporre di unfascio di particelle di alta energia era quantodi meglio si potesse desiderare. Le interazioniforti affascinavano Touschek ma, come hodetto, l’elettrodinamica era il suo modelloprediletto, sicché arrivare alle interazioniforti attraverso l’elettrodinamica era il suomodello prediletto, sicché arrivare alle interazioniforti attraverso l’elettrodinamica glisembrava la strada naturale: urti fra adroni,diceva, fanno troppo «rumore»; molto megliola gentilezza degli elettroni. Gli adroni, diceva,sono hooligans, teppisti e vanno bene peril CERN... Intanto, faceva modelli per risonanzeadroniche, convinto che nella nozionedi risonanza fosse la chiave di volta per lacomprensione della materia nucleare. Questaconvinzione era un’altra delle sue rappresentazionipreferite, ora cercherò di spiegareperché. Intanto, scuoteva il capo scontentoper gli acceleratori di quell’epoca: certo, meglio,molto meglio dei raggi cosmici; ma chespreco! Un elettrone relativistico contro unbersaglio pesante, sia pure un protone, sprecaquasi tutta la sua energia nel moto finaledel centro di massa piuttosto che per produrre«reazioni», cioè stati finali interessanti connuove particelle (risonanze). Lentamente, sifece strada nella sua mente l’idea che si potessefare molto meglio e molto di più. Brunoimmaginava il vuoto fisico come un magazzinodi «pezzi fondamentali», che si sarebberomanifestati come modi normali del vuoto (risonanze,masse/frequenze caratteristiche ––il suo modo di ragionare era intrinsecamenterelativistico). Il problema era quello di «depositare»nel vuoto una ragionevole quantitàdi energia, qualificata con numeri quanticiappropriati, per eccitare questi modi normalie portarli allo scoperto. Certo, non c’era daaspettarsi molto da stati iniziali carichi, o connumeri barionici o leptonici non nulli; dunquegli stati iniziali prevedibilmente più interessantinon potevano essere che stati di particella-antiparticella;in particolare, nel casoelettrone-positrone, i numeri quantici del sistemaavrebbero potuto essere quelli di unfotone, l’intermediario prediletto di ogniscambio energetico! Insomma, Bruno avevain mente una rappresentazione dielettrica delvuoto fisico: effettivamente, tra i suoi appuntimanoscritti si ritrovano alcuni tentativi di lavorarecon una costante dielettrica adronicadefinita in modo semiclassico. A quel tempo,ricordo, uno dei problemi era quello di qualeuso fare delle relazioni di dispersione per loscattering: con gli acceleratori convenzionali,per esempio il Linac di Stanford (elettroni da500 MeV), Robert Hofstadter aveva misuratoi fattori di forma di nucleoni e nuclei, avevacioè ricostruito la geometria degli oggetti adronicia partire dalle figure di diffrazione(formula di Rosenbluth) corrispondenti alloscattering elastico, cioè a momenti trasferitispace-like. Si trattava di estendere le misureal settore time-like! Il trasferimento di momentoavveniva per l’intermediario di un fotone(virtuale, fuori del mass-shell) in entrambii casi: dunque, il prolungamento analiticodello scattering era l’annichilazione. Annichilazionedi positroni su elettroni fermi,nemmeno a parlarne: energie disponibili nelcentro di massa per produrre adroni, ridicole.Ma si poteva pensare di sparare elettronicontro positroni in un anello magnetico, inmodo che il centro di massa fosse fermo. Il 7marzo 1960 Bruno fa un seminario ai LaboratoriNazionali di Frascati e propone di realiz-

C. BERNARDINI: BRUNO TOUSCHEKzare un anello magnetico in cui fare collidereelettroni e positroni viaggianti a velocità relativistichesu un’unica orbita: a chi gli chiede«perché mai dovrebbero incontrarsi?» rispondecon tono sprezzante che «basta il teorema TCPper convincersi che lo faranno»; e così scrivesulla proposta che apparirà del Nuovo Cimento,utilizzando la sua fiducia nelle simmetrie discretee nell’elettrodinamica quantistica.Lì per lì, i problemi tecnici di una tale impresafurono elencati con una certa spregiudicatezza:come produrre e iniettare fasci dipositroni? Come assicurare un vuoto sufficienteper avere fasci stabili accumulati pertempi lunghi? Come monitorare ciò che accadein un simile dispositivo? Come misurare laproduttività della macchina? Eccetera. Brunosi convertì all’istante da fisico teorico dei piùastratti a fisico applicato: siccome l’idea erapiaciuta, Salvini, Amaldi e Felice Ippolito (allorasegretario del CNEN) avevano trovato ifondi per realizzarla in quattro e quattr’otto,bisognava rimboccarsi le maniche e risolverei problemi pratici. Mai sarebbero stati risosltisenza le eccezionali risorse intellettuali ecompetenze messe in gioco dai nostri colleghiGiorgio Ghigo e Gianfranco Corazza: ad entrambi,Bruno si affezionò con un sentimentodi ammirazione che mai gli avevo visto primaper altri. Seppi dopo che questo lo riportavaal clima in cui aveva collaborato con Rolf Wideröe,R. Kollath e G. Schumacher alla costruzionedi un betatrone da 15 MeV, nel1943-44 (a Pfuhlsbüttel, vicino ad Amburgo);e che da giovanissimo aveva lavorato in unafabbrica radioelettronica tedesca e costruitotubi a raggi catodici.Irruento e determinato com’era, però,quando concepisce l’idea dell’Anello di Accumulazione(AdA) va dritto da Salvini che avevaappena messo in funzione l’elettrosincrotroneda 1100 MeV, un vero successo per queitempi, e cerca di convincerlo del fatto che «èuna macchina poco intelligente» di scarsa utilità;così che sarebbe stato meglio convertirloin anello di accumulazione adattandolo opportunamente.Fortunatamente, Salvini lo tennea bada, evitando un disastro pressoché certo,e lo convinse a costruire un anello ad hoc. Laconversione sincrotrone K (anello fu effettivamentefatta, dieci anni dopo, con una macchinaacceleratrice americana, il CEA diCambridge Mass., ma con grandi fatiche emagri risultati.Del lavoro con AdA non resta molto, nellaletteratura. Indubbiamente, la più importanterassegna delle vicende e dei risultati è unatesi, assai accurata, dell’allora giovane JacquesHaïssinski, che era venuto a fare il dottoratonel nostro gruppo quando ci eravamotrasferiti a Orsay. Di quel dottorato, fummoesaminatori Touschek, Neél ed io nel 1963,quando ormai l’idea di Bruno si era completamenteaffermata. Sia Haïssinski che PierreMarin (altro nostro collaboratore francese) nutrivanouna vera venerazione per Bruno, nonostantele terribili sfuriate che egli andava facendoin laboratorio insoddisfatto dei tecnicifrancesi e dei loro servizi centrali. Molte voltesi andò vicini all’incidente diplomatico, con ladogana per il trasporto dell’anello o con i controlliaeroportuali perché Bruno non rinunciavaa ironizzare sulle guardie nel suo francese assaiapprossimativo. Le lunghe notti degli innumerevoliweek end durante i quali si lavorava conAdA presso la «salle de cible 500 MeV» del Linacfrancese, che aveva rimpiazzato il sincrotronedi Frascati come iniettore, erano a dirpoco infernali: l’impianto di raffreddamentodell’alimentatore della cavità a Radiofrequenzafaceva un rumore altissimo; spesso il Linac sirompeva e il lento lavoro di accumulazione andavaperduto. Ma Bruno era quasi sempre presente(quando non riuscivamo a mandarlo a riposarenella foresteria) e voleva fare personalmentele calibrazioni degli strumenti e le misure.La sua innata passione per il disegno si rivelavaanche in un comunissimo grafico, ancoraoggi riconoscibile come «suo» originale da semplicied efficaci segni. Accanto ai grafici, i disegni,per lo più satirici, che disseminava per illaboratorio per la gioia di tutti noi che ne facevamoincetta. (Alcuni significativi disegni sonopubblicati a pag. seguente.)Come ho già detto, ci trasferimmo in Francia,ad Orsay; ma la prova che un fascio dibassa corrente potesse circolare per ore nellamacchina s’era già avuta a Frascati, graziealla straordinaria abilità di Corazza nel produrrevuoti decisamente inferiore a 10 29 Torrcon pompe al titanio e degassamento e pulituradelle pareti interne della donut. A Frascati,il punto dolente era l’iniezione: il sincrotroneera stato concepito con un duty cycleeccellente per gli esperimenti con coincidenze;ma per AdA questo era irrilevante: un fasciodi elettroni impulsati molto intenso andavabenissimo e il Linac di Orsay (da 100031

IL NUOVO SAGGIATORE32MeV) sembrava l’iniettore giusto. Bruno partecipòagli accordi con i francesi e alle operazionidi trasferimento dell’anello che, su ungrosso camion, attraversò le Alpi mantenendoil vuoto nella donut a 10 28 Torr grazie aun certo numero di batterie in tampone. AFrascati, avevamo già messo a punto le tecnichedi calibrazione del fascio (ottiche); Touschekera deliziato dal fatto che la luce di sincrotronedi un singolo elettrone circolante da200 MeV si vedesse ad occhio nudo; spesso,AdA veniva caricata per misure di vita mediadei fasci e Bruno faceva da cicerone ai visitatoriinvitandoli a guardare dall’oblò «l’ultimoelettrone circolante» (una spot bianco-bluastrain grado tuttavia di abbagliare l’incautoche restasse a fissarla, necrotizzandogli unpunto della retina). P. I. Dee, un amico di

C. BERNARDINI: BRUNO TOUSCHEKGlasgow (presso il quale Bruno era stato da«profugo», dopo la guerra), era assolutamenteincredulo circa la visibilità del singolo elettronesicché bruno si produsse in un convincentecalcolo della magnitudine della spot:queste stime improvvisate erano la sua passione–– e non sono certo semplici.Furono risolti innumerevoli problemi, tuttireperibili sulla tesi di Haïssinski. Ma il veromomento di pathos venne, una notte del 1963,quando ci accorgemmo che, nonostante la velocitàdi iniezione fosse ormai eccellente, l’intensitàdava palesi segni di saturazione, comese la vita media del fascio dipendesse dall’intensitàdel singolo fascio. Bruno si allarmò.Cercò il bar della stazione di Orsay, che restavaaperto durante la notte, ordinò il predilettorosé sec e incominciò a riflettere. Tornòall’alba: aveva capito. Quello che avveniva erache lo scattering Møller fra gli elettroni checorrevano insieme in un bunch produceva untrasferimento di momento dai modi trasversali(ben contenuti dalle forze magnetiche) aquello longitudinale, assai più debole e anarmonico.Ovviamente, tanto più grande la densitàdi elettroni in un bunch tanto più vistosol’effetto di saturazione: questo forniva ancheuna ricetta per curare il danno aumentandola densità; il che fu ottenuto mediante l’inserzionedi una bobina quadrupolare in una sezionelibera del magnete. Bruno produsse immediatamenteun calcolo dell’effetto, che da lìin poi è noto come «effetto Touschek»; si videche per macchine più grandi di AdA non sarebbestato così catastrofico.AdA dimostrò che i fasci di elettroni e positronisi incontrano; la «luminosità» dellamacchina era piccola, ma sufficiente a misurareuna sezione d’urto di bremstrahlungelettrone-positrone. Questo lavoro fu cosìconvincente che già nel 1961 a Frascati fumessa in cantiere una macchina ben più grande:Adone, due fasci antagonisti da 1.5 GeVciascuno contro i 220 MeV di AdA. Poco dopo,i francesi incominciarono a costruire ACO(Anneau de Collision Orsay), 23500 MeV.Bruno era contento e distaccato: finiva l’avventura,incominciava il corso «regolare» dellecose; e lui, come altri, non era uomo digrandi collaborazioni rigidamente organizzate.Tuttavia, continuò a prestare la sua opera,che era di accesa e disinteressata partecipazionealla soluzione di problemi. Intanto, riprendevaa ragionare sui neutrini, e posso direche non era poi così lontano dall’unificazioneelettrodebole. Per circa dieci anni dopo il1964, anno in cui terminò l’attività con AdA,Bruno soffrì per gli eventi politici che si manifestavanointorno a tutti noi: il caso Ippolito,prima, in cui ebbe un ruolo non irrilevante(le riunioni dei «cospiratori» pro Ippolito sitenevano a casa sua); poi, la contestazione,che lo infastidì moltissimo per l’ottusità dicoloro che l’avevano portata nell’Istituto diFisica di Roma. Il modo, in verità, era assaipoco viennese. Se non fosse stato per EdoardoAmaldi, per il quale Bruno aveva una stimaillimitata, probabilmente sarebbe andatovia, forse in Austria (aveva ripreso i contatticon gli austriaci, particolarmente WalterThirring, e conosceva personalmente il presidenteaustriaco Bruno Kreisky). Parlavaspesso in modo sconsolato dell’Italia e dellaburocrazia italiana. Se posso dire, per comelo ho conosciuto, che cosa gli sarebbe piaciuto«inventare» in fisica, dopo AdA, dico senz’altrola vector dominance, che sembrava fareda ponte tra la prediletta elettrodinamica e ilmondo adronico, riempiendo di risonanze bendefinite il prolungamento analitico dei fattoridi forma. Quando fu scoperta la J/c, appenasopra l’energia massima di Adone, per nerafatalità, Bruno sentì che la sua idea stavarendendo il massimo di ciò che si poteva sperare.Negli ultimi anni, era amareggiato. Smodatoper sua natura, sembrava volesse autodistruggersi.Stava spesso molto male. Volleandare al CERN. Di lì, peggiorando in salute,decise di trasferirsi sulle montagne sopraInnsbruck, a Igls. Telefonava che la piscinalo distraeva molto: aveva una gran passioneper il nuoto e la pesca (e aveva tanto nuotatoe pescato nel lago, a Castelgandolfo). Il 25maggio 1978 se ne andò, alla Clinica Medicadi Innsbruck, per come epatico. I suoi discorsidegli ultimi giorni manifestavano, come hascritto Amaldi, una grande voglia di vivere.Per molti di noi, vive, come esempio inimitabile,pure, esempio.33

SCIENZA IN PRIMO PIANOIL MISTERO DEI RAGGI COSMICI DIULTRA ALTA ENERGIAStefano CecchiniTesre/CNR - Bologna.Queste particelle a loro volta interagiscono odecadono e così il processo di moltiplicazionee di suddivisione dell’ energia del primariocontinua. Nello sciame si possono individuaretre componenti: la elettrofotonica (ef) (elettronie fotoni prodotti dal decadimento dei34Le recenti osservazioni di raggi cosmici conenergia superiore a 10 20 eV (100 EeV) hannoriportato l’attenzione degli astrofisici sullaquestione dell’origine di tali particelle suggerendol’esistenza nell’Universo di meccanismidi accelerazione di straordinaria potenza o difenomeni legati alla struttura fisica dell’Universoprimordiale.Questi risultati sono il frutto di una costantee sistematica ricerca che ebbe inizio intornoagli anni ’50 e legata allo studio degli sciamiestesi atmosferici1. – I grandi sciami atmosfericiIl primo a scoprire e a studiare questo fenomenofu, nel 1938, P. Auger ( 1 ) utilizzandodei contatori Geiger in coincidenza posti a diversedistanze tra di loro. Egli osservò che diquando in quando gruppi di particelle attraversavanocontemporanamente i rivelatori.Dalle sue osservazioni e da quelle di altriemerse l’idea che, analogamente alla formazionedi sciami di particelle nei processi di cascatain piombo, i segnali in coincidenza osservatidovevano essere associati a cascate diparticelle originate all’arrivo di una particelladi alta energia alla sommità dell’atmosfera.In effetti, quando un raggio cosmico (principalmenteun protone e, con minore frequenza,un nucleo atomico) interagisce con i nucleidi aria, tipicamente a 20km di altezza, l’energiadella particella primaria si distribuiscetra un grande numero di particelle secondarie:essenzialmente pioni carichi e neutri.Fig. 1. – Rappresentazione schematica di uno sciameatmosferico osservato da una rete di rivelatori a terra:un raggio cosmico primario interagisce con i nucleidelle molecole dell’aria e dà inizio alle cascatenelle tre componenti ef, muonica, adronica (nell’inserto)che si propagano verso il terreno formando undisco leggermente incurvato. La traiettoria dellosciame viene ricavata dalla misura dei tempi di arrivorelativi delle particelle ai singoli rivelatori. Il numerototale delle particelle componenti il disco è dedottodal campionamento della densità di particelle vistada ciascun rivelatore in funzione della distanza dall’assedello sciame.

S. CECCHINI: IL MISTERO DEI RAGGI COSMICI DI ULTRA ALTA ENERGIApioni neutri), alla quale è legata gran partedella energia del primario; la componentemuonica (e neutrinica) generata dal decadimentoe dall’interazione dei pioni carichi; lacomponente adronica che costituisce la partecentrale della cascata atmosferica (vedi fig. 1).Lo sviluppo longitudinale dello sciame èdominato dallo sviluppo in atmosfera dellacomponente ef. Il processo di cascata si arrestaquando l’energia delle particelle scendesotto un valore critico, (E c ) per la produzionedi altre particelle. Quando questo avviene leperdite di energia dominano il processo e ilnumero di particelle dello sciame comincia adiminuire esponenzialmente con lo spessoreattraversato.La profondità alla quale l’energia della maggiorparte delle particelle scende sotto E c è indicatacon X max (g/cm 2 ). In linea di principio setutta l’energia del primario (E o ) fosse convertitanella componente ef, il numero di particelleal massimo dello sviluppo, N max , sarebbe proporzionalea E o e varrebbe la relazioneE o /N max 4E c ,mentre per la profondità del massimo stesso,rispetto agli strati superiori dell’atmosfera,vale approssimativamente la relazioneX max 4X o ln(E o /E c ).La dipendenza logaritmica di X max dall’energiadel primario e la proporzionalità traquesta ed N max continuano a valere non soloper trattazioni più accurate dello sviluppo diuno sciame ef, ma anche per cascate iniziateda adroni. Per questi ultimi si assume in generaleche valga il «modello di sovrapposizione»,ovvero che un nucleo di massa A edenergia E o sia equivalente a A nucleoni ciascunocon energia E o /A. In questo caso la relazioneche lega il numero di particelle almassimo all’energia del primario non cambia,mentre vale la relazioneX max 4X o [ln(E o /E c )2alnAb]per cui ci si aspetta che, per la stessa energiatotale, uno sciame dovuto ad un nucleo pesantesi sviluppi più velocemente di uno generatoda un protone (vedi fig. 2).La misura della profondità (o altezza) in atmosferadel massimo in funzione dell’energiaFig. 2. – Sviluppo longitudinale di uno sciame atmosfericocon energie vicine a 10 20 eV prodotto da protoni(linea continua sottile), nucleo di Fe (linea tratteggiatasottile) e fotoni per due casi diversi: lineatratteggiata spessa-semplice cascata ef, area grigiaconeffetto LMP e del campo geomagnetico incluso.Come si può vedere le cascate iniziate da protoni fluttuanopiù di quelle iniziate da ferro che iniziano anchepiù in alto in atmosfera (adattato da ( 2 )).fornisce una indicazione della composizionedei raggi cosmici. Purtroppo le fluttuazioninella misura di X max sono confrontabili con icambiamenti introdotti da una variazione daA41 (puri protoni) a alnAb41.5 (composizionemista alle basse energie) o alnAb44(puri Fe) e la determinazione della composizionealle altissime energie, come vedremopiù avanti, risulta molto incerta.La componente muonica ha una storia diversada quella della componente ef in quantole perdite di energia durante lo sviluppo dellosciame sono solamente per ionizzazione. Perquesto la componente muonica cresce fino adun massimo e poi si attenua lentamente. Ilnumero di muoni di uno sciame che raggiungeil livello del mare è circa 10 volte più basso diquello della componente ef.È tuttavia molto importante misurare lacomponente muonica poiché da essa è possibilericavare informazioni sulla composizionedei nuclei primari. Infatti il numero di muonidipende dal numero, dalla distribuzione inimpulso e dall’altezza di generazione dei pionicarichi, tutte caratteristiche legate alla naturadella particella che ha interagito alla sommitàdell’atmosfera. Simulazioni Monte Carlo35

IL NUOVO SAGGIATORE36mostrano che il numero dei muoni che raggiungonoil suolo per uno sciame iniziato daun protone cresce in funzione dell’energia comeE o 0.85 . Assumendo valido il modello di sovrapposizione,si vede che un nucleo di Fe dàorigine ad un numero di muoni osservabili alsuolo circa doppio di quello generato da unprotone di pari energia in quanto vale la relazioneN m A 4A 0.15 N m p .Un grande passo in avanti nello studio delfenomeno venne compiuto dal gruppo delMIT composto da P. Bassi, G. Clark e B.Rossi ( 3 ) i quali per primi usarono contatori ascintillazione, basati su materiali liquidi primae plastici poi. I risultati indicarono che leparticelle dello sciame sono praticamentecontenute in un disco piatto, spesso qualchemetro, che si muove con velocità prossima aquella della luce. Continuando le ricerche concontatori sparsi su più grandi aree si vide chele particelle si distribuivano attorno ad un assedi simmetria (asse dello sciame). Dal ritardorelativo del transito delle particelle nei varicontatori si poteva determinare la direzionedi arrivo dello sciame mentre, confrontandola distribuzione laterale della densità diparticelle dall’asse con quanto calcolato numericamenteper la cascata ef, funzione Nishimura-Kamata-Greisen( 4 ) (NKG), si ottenevail numero totale di particelle componentilo sciame e di qui l’energia della particella delprimario che aveva dato origine alla cascataatmosferica.La tecnica di «campionamento» per lo studiodegli sciami estesi atmosferici trovò lasua piena applicazione con l’esperimento diVolcano Ranch costruito negli anni 1957-58da J. Linsley e L. Scarsi, che costituisce ilcapostipite dei grandi apparati per sciami.L’impianto era costituito da 19 rivelatori dispostia forma esagonale che da un primo diametrodi 1.8 km venne poi esteso a 3.6 km.(operante tra il 1959 ed il 1974). Con il primofu possibile osservare uno sciame di 3310 9particelle, corrispondenti ad una energia6310 19 eV; con il secondo si osservò unosciame di 50310 9 particelle (10 20 eV) ( 5 ).Quasi nello stesso tempo venivano costruitie messi in funzione gli apparati di Mosca(Moscow State University) e di Chacaltaya,Bolivia (5300 m s.l.m.).Le misure combinate di questi apparati dimostraronoche particelle con energie10 17 210 18 eV e superiori, definiti anche comeUltra High Energy Cosmic Rays (UHECR)appartenevano stabilmente allo spettro energeticodei rc primari e che questo doveva esseremolto ripido in quanto eventi con10 19 210 20 eV erano assai rari.Nascevano diversi problemi: fino a cheenergia si estende lo spettro? quali sono lesorgenti dei raggi cosmici e quali i meccanismicapaci di accelerare le particelle a similienergie?Subito dopo la scoperta di Penzias e Wilsondella radiazione cosmica di fondo (CMBR),Greisen ( 6 ) e indipendentemente Zatsepin eKuzmin ( 7 ) misero in evidenza che questa radiazioneavrebbe reso l’universo opaco ai raggicosmici di sufficientemente grande energiaintroducendo un «taglio» (cut-off di GZK)nello spettro. Questo accade ad esempio perun protone la cui energia è superiore alla fotoproduzionedi pioni nella collisione con unfotone del fondo cosmologico:p g K D 1 (1236) K p o p ,con conseguente degradazione dell’energiadel protone. Ne consegue che eventi qualiquelli che sono stati visti recentemente dagliapparati AGASA e Fly’s Eye devono provenireda sorgenti che distano da noi al massimo20–50 Mpc (vedi fig. 3a). Per nuclei più pesantile limitazioni sono ancora più severe.Una ipotesi alternativa per spiegare talieventi è quella di imputarne l’origine a particelleneutre quali fotoni o neutrini. Ma, comevedremo più avanti, il profilo dello sviluppolongitudinale dello sciame di 300 EeV osservatoda Fly’s Eye sembra escludere che ilprimario sia un fotone poiché avrebbe dovutointeragire con il campo geomagnetico e svilupparsipiù in alto. D’altra parte si deveescludere che lo sciame sia stato originato daun neutrino dato che l’angolo zenitale è E407per cui il percorso è troppo piccolo per permettereal neutrino di avere una interazionecon i nuclei di aria.Calcoli numerici successivi hanno mostratoche lo spettro energetico differenziale (quandomoltiplicato per E 3 ) deve assumere unparticolare aspetto con un avvallamento seguitoda un rigonfiamento e quindi avere untaglio più o meno dolce a seconda della distri-

S. CECCHINI: IL MISTERO DEI RAGGI COSMICI DI ULTRA ALTA ENERGIArarità di tali eventi, come si può vedere infig. 4. Questo grafico rappresenta essenzialmentel’inverso dello spettro misurato deiraggi cosmici e indica l’accettanza (m 2 srgiorni) necessaria per osservare 100 particellecon energia D E o , che per E o 410 19 eV èpari a 2.5 km 2 y.Le misure successive fatte al livello del mareed in alta montagna con apparati di diversedimensioni mostrarono che vi sono notevolifluttuazioni nel numero di particelle checompongono lo sciame al livello di osservazione,le quali rendono difficile una precisa determinazionedell’energia e della natura delprimario. Sebbene molte proprietà significativedegli sciami siano determinate dalla cascataef, altre sono influenzate dalle interazioniadroniche. Il punto della prima interazionedipende strettamente dalla sezione d’urtoinelastica protone-aria e cosi pure X max . Quindiuna misura dello spettro primario restava, eresta tuttora, legata a modelli numerici chesimulano lo sviluppo dello sciame.Fig. 3. – (a) Lunghezze di attenuazione L att per fotoni,protoni e nuclei di ferro in vari campi di radiazione,in funzione dell’energia E. Le tre curve continue siriferiscono all’attenuazione dell’energia di fotoni daparte della radiazione IR, a microonde e radio. Le duecurve tratteggiate si riferiscono alla propagazione deiprotoni nella radiazione 3K di fondo, mostrando sepratamanetel’effetto di produzione di coppie e dellafotoproduzione di pioni. La curva punteggiata mostral’attenuazione per i nuclei di Fe (adattato da ( 2 )).(b) Forma aspettata dello spettro energetico dei raggicosmici in conseguenza del cut-off dovuto all’effettoGZK e sua dipendenza dalla distribuzione in tempoe nello spazio (redshift) delle sorgenti dei raggi cosmici.La curva Diffuse rappresenta il caso di sorgentidistribuite uniformemmente nello spazio. Si dovrebbeosservare una protuberanza prima del cut-off:poiché il numero totale di protoni si conserva cosicchéi protoni perdono energia e si accumulano a energiepiù basse ( 8 )37buzione spazio temporale delle sorgenti (vedifig. 3b).2. – Le osservazioni con grandi apparatiLa difficoltà nello studio dei raggi cosmicidi altissima energia, D 10 18 eV, è legata allaFig. 4. – Accettanza necessaria per potere rivelare 100particelle con energia superiore a E. Il grafico è essenzialmentel’inverso dello spettro misurato dei raggicosmici.

IL NUOVO SAGGIATORE38Al momento vi sono diversi calcoli MonteCarlo (MC) che vengono utilizzati nella simulazionedegli sciami. Le incertezze sistematichepiù grandi nascono dalla mancata conoscenzadella sezione d’urto totale e dai dettaglinella produzione di particelle in reazioninucleari ed adroniche alle alte energie (vedifig. 5a). D’altra parte i risultati ottenuti congli acceleratori devono essere estrapolati dimolti ordini di grandezza per arrivare alleenergie dei RC.È interessante rilevare che la sezione d’urtoinelastica protone-aria è in relazione medianteopportuni modelli di fisica nuclearecon la sezione d’urto totale p-p e quindi lemisure dei raggi cosmici possono dare indicazionisul comportamento di quest’ultima perenergie ancora non disponibili agli acceleratori(vedi fig. 5b).Fig. 5. – (a) Determinazioni sperimentali della sezioned’urto inelastica protone aria in funzione dell’energiaa confronto con diversi modelli Monte Carlo(da ( 9 )). (b) Compilazione delle misure delle sezionid’urto totale con i valori dedotti dalle misure di sciamiestesi atmosferici di Akeno (da ( 10 )).Dopo Vulcano Ranch furono costruiti altrigrandi apparati che hanno utilizzato diversetecniche al fine di ridurre le incertezze nelladeterminazione della energia e natura delprimario dovute alle fluttuazioni nello sviluppodello sciame in atmosfera. Gli apparati chepiù hanno contribuito allo studio dei RC diUHE sono statii) L’apparato di Haverah Park (HP) (UK),operativo nel periodo 1963-1983, che usavacontatori costituiti da vasche d’acqua. Nell’attraversareun rivelatore le particelleemettono luce Cerenkov che viene vista da unfotomoltiplicatore. Il segnale che ne derivafornisce una misura della densità d’energiapersa dalle particelle. Hillas et al. ( 11 ) dimostraronomediante calcoli MC dello sviluppodello sciame che la densità misurata a 600metri dall’asse dello sciame (r(600)) è proporzionaleall’energia del primario e che ilsuo valore dipende solo molto debolmentedalla massa del primario e dalle fluttuazioni.ii) L’apparato di Yakustk (Y) (Siberia),operativo dal 1970, nel quale vengono usatidue diversi tipi di rivelatori: gli scintillatoriche campionano la distribuzione laterale delleparticelle (principalmente gli elettroni ma visono anche contatori appositamente disegnatiper rivelare i muoni); i rivelatori Cerenkovche misurano la radiazione emessa dalle particellerelativistiche delle sciame lungo tuttoil percorso in atmosfera ( 12 ). La luce Cerenkovè emessa soprattutto dagli elettroni di alcunedecine di MeV o più, e la sua intensità è proporzionaleall’energia totale dissipata in atmosfera.Un grande vantaggio di questo metodo èanche la grande risoluzione angolare e la possibilitàdi distinguere sciami originati da protoni(o nuclei) e fotoni. Inoltre il numero di fotoniemessi dipende strettamente dall’energia delprimario, in maniera praticamente indipendentedal modello di sviluppo dello sciame. Questofatto permette di calibrare i dati della densitàdi particelle misurata dagli scintillatori a 600 mdall’asse dello sciame (S(600)) con il valore delflusso dei fotoni Cerenkov alla distanza di400 m dall’asse dello sciame (Q(400)). La difficoltàdell’osservazione della luce Cerenkov èlegata a fatto che essa può avvenire solo innotti prive di luna e di nubi. A questo punto èpossibile costruire la relazione tra r(600) eS(600) per una certa energia (ad esempio10 17 eV) identificando gli eventi che hanno lastessa frequenza nei due apparati.

S. CECCHINI: IL MISTERO DEI RAGGI COSMICI DI ULTRA ALTA ENERGIAiii) L’apparato costruito a Narrabri (SydneyUniversity Giant Air Shower Array-SU-GAR) (Australia) ed operativo tra il 1968 edil 1979, che utilizzava scintillatori interratiper misurare la componente muonica. Laenergia del primario era determinata dal valoredella densità di muoni a 600m dall’assedello sciame (r m (600)) e dal numero totale dimuoni nello sciame. Vi è generale consensosul fatto che i dati di questo apparato non sonoaffidabili per quanto riguarda la ricostruzionedello spettro di energia, mentre in varieoccasioni essi sono stati usati per derivare lacomposizione e per studiare la distribuzionedelle direzioni d’arrivo. A questo riguardol’apparato SUGAR riveste un ruolo importanteessendo l’unico apparato di grandi dimensionicostruito nell’emisfero sud.iv) L’apparato di Akeno (Giappone) la cuiarea di 20 km 2 è stata estesa a 100 km 2 (AGA-SA, operativo dal 1990), che comprende siascintillatori non schermati (in totale 111) perrivelare elettroni che schermati (in totale 27)per rivelare la componente muonica (vedifig. 6). Recentemente sono stati aggiunti ancherivelatori ad acqua simili a quelli utilizzatinell’apparato HP allo scopo di confrontare i39Fig. 6. – (a) Rappresentazione grafica dell’apparato per sciami AGASA. I cerchietti rappresentano i contatori ascintillazione ed i quadrati i contatori di muoni. Le linee intere indicano i cavi in fibra ottica che costituiscono larete di comunicazione. (b) Foto di una parte del nido di specchi dell’apparato Fly’s Eye

IL NUOVO SAGGIATORE40modelli usati dai due apparati per ricavarel’energia del primario. La relazione che permettela conversione della densità misurataS(600) nell’energia del primario è stata valutatamediante metodi MC e risulta essereE o 42.03310 17 S 0 (600) eV,dove S 0 si riferisce alla quantità misurata persciami verticali. Poiché gli sciami inclinati attraversanopiù atmosfera occorre convertireS u (600) osservato nel caso dell’angolo zenitaleu in S 0 . L’accuratezza nella ricostruzione deglieventi viene valutata dall’analisi di ungran numero di eventi simulati.I fattori che introducono incertezza nelladeterminazione dello spettro sono essenzialmentetre: il primo è l’incertezza nella misuradella densità di particelle che attraversanoun dato rivelatore; il secondo è dovuto allaformula empirica della distribuzione lateralee alla curva di attenuazione di S(600) –– nelcaso questi due fattori pesino nello stessosenso si può stimare che diano origine ad unaincertezza di ±20%. Il terzo risiede nella formuladi conversione riportata sopra; sebbenequesta formula non sia sensibile al tipo di interazionenon è stimabile quanto sia l’incertezzaintrodotta dai diversi Monte Carlo nellastima di E o . Infine bisogna avere una buonastima dell’area sensibile, quantità che dipendemolto dall’energia primaria. Nel periodoFebbraio 1990–Ottobre 1997 AGASA ha collezionato3847 sciami con E o D 10 18.5 eV, 461sciami con E o D 10 19 eV e 6 eventi conE o D 10 20 eV.La vera novità introdotta nel 1983 è statal’impiego della rivelazione della radiazione difluorescenza emessa dagli atomi della atmosfera(principalmente azoto) eccitati al passaggiodegli elettroni della cascata. In questomodo l’atmosfera diviene in pratica un calorimetro.v) L’apparato Fly’s Eye (FE) costruitonello Utah era inizialmente costituito da 67specchi sferici del diametro di 1.6m dispostiin modo da formare una cupola sferica. Ognispecchio era visto da più fototubi collocati nelpiano focale per un totale di 880 (Configurazionemonoculare). In seguito è stata costruitauna seconda stazione con 36 specchi e 464fototubi in modo da lavorare in maniera stereoscopica,per permettere una migliore ricostruzionedella traiettoria dello sciame sacrificandol’area di raccolta (vedi fig. 6). Ognifototubo registra il tempo di arrivo e la quantitàdi luce emessa da quella parte di cieloche è vista dal suo angolo solido. In questomodo la traiettoria di uno sciame appare comeuna traccia lungo la sfera celeste.Con questa tecnica è possibile misurare ilnumero totale di elettroni al massimo dellosciame e lo sviluppo longitudinale della cascata.Queste due quantità sono in diretta relazionecon l’energia del primario e le fluttuazionisono trascurabili.L’energia della particella che ha iniziato losciame è ricavata daE em 4E c /l r N e (x) dx,dove E em è l’energia totale dissipata dalla componenteef, E c /l r è il rapporto tra l’energia criticadegli elettroni e la lunghezza di radiazione (l r ), eN e (x) è il numero di elettroni osservato alla profonditàatmosferica x. Una correzione di circa il10% è necessaria per il fatto di considerare solola componente ef. La precisione sulla stima di N e ,ricavata dalla quantità di luce di fluorescenza ri-Fig. 7. – (a) Sovrapposizione degli spettri energeticidifferenziali (3E 3 ) ottenuti dagli apparati di sciamidi HP, Yakustk, Fly’s Eye ed AGASA. La scala energeticadi ogni esperimento è stata leggermente modificataper essere in accordo con AGASA all’energia di1 EeV. I fattori di scala usati sono HP31.0/Y30.9/FE31.1. (da ( 13 )).

S. CECCHINI: IL MISTERO DEI RAGGI COSMICI DI ULTRA ALTA ENERGIATabella I. – Caratteristiche e osservazioni di raggi cosmici di UHE dei grandi apparati di sciami atmosferici,1EeV410 18 eV.EsperimentoLatitudinegeograficaarea(km 2 )Accettanza(km 2 sr y)Risoluzioneangolare(gradi)Flussoa E o 410 EeV(m 22 s 21sr 21 eV 21 )EventiosservatiD40 EeVEventiosservatiD100 EeVEventiaspettati perE o D100 EeVVR 35,2N 8 – 3 – 6 1 –HP 54N 12 270 3 2,22 10 233 27 4 3,2Ya 62N 25 490 6-10 3,39 10 233 24 1 8AGASA 36N 100 822 1,6 2,91 10 233 47 7 2,8–5,2FE -mono41N – 930 6 2,38 10 233 17 1 5,4FE -stereo– – 158 2 – – – –SUGAR 30,5S 70 600 4,3-10 – 49 8 –velata, dipende da quanto sono ben conosciuti imeccanismi di produzione e trasmissione attraversol’aria della luce, dalla calibrazione dell’otticae dalla determinazione della traiettoria dellosciame. La limitazione di questa tecnica è il fattoche le osservazioni devono essere fatte in nottibuie, prive di luna.La prova dell’efficacia di uno studio sistematicoe prolungato con tecniche differentidei grandi sciami atmosferici, è dimostratodall’ottimo accordo tra i diversi esperimentisui seguenti punti (vedi fig. 7):1) Dal buon raccordo con le misure di piùbassa energia di Akeno (20 km 2 ) risulta che laforma dello spettro differenziale di energiada 10 17 eV a A 6310 17 eV è rappresentato dauna legge di potenza con indice 3.00 6 0.05.2) A energie D 6310 17 eV lo spettro differenzialedi energia diviene più ripido (indice3.2 6 0.1) prima di cambiare tendenza a circa5310 18 eV e con un indice 2.7 6 0.2; sembraquindi di poter individuare due popolazioni, laprima dominante a E E 3–5 EeV e un’altraper energie maggiori. Il segno di una nuovapopolazione di più alta energia è l’appiattimento(la «caviglia») dello spettro.3) I flussi misurati sono in accordo entro il50% indipendentemente dalla tecnica usata permisurare e calibrare in energia; se si assumeche lo spettro differenziale obbedisca alla leggeE 23 , le osservazioni sono in accordo entro un20% in energia. (Vedi anche tabella I).I fattori correttivi che sono stati usati perla sovrapposizione sono inferiori agli errorisistematici nella determinazione dell’energiariportati dagli esperimenti.3. – Gli eventi con E o D 10 20 eVIl primo evento con energia vicina o superiorea 10 20 eV fu riportato già da VolcanoRanch( 5 ). In seguito le osservazioni di HaverahPark( 14 ) e di Yakutsk( 15 ) hanno dato creditoall’esistenza di eventi di cosi grande energiaanche se in alcuni casi grande era l’ incertezzanelle caratteristiche dell’evento. Un esempio èl’evento descritto da Yakutsk, cui viene attribuitauna energia (1.1 6 0.4); 10 20 eV usando lasolita relazione tra S(600) e l’energia del primario.In questo stesso evento fu registrato unnumero di muoni molto alto e dal quale si ottieneuna stima dell’ energia prossima a 10 21 eV.Lascia qualche dubbio il fatto che lo sciameavesse una grande inclinazione (zenit458.77),fatto che rende più incerta la determinazionedell’energia. L’evento appare indubbiamenteanomalo e dovuto ad una particella la cui energiaè più alta del taglio di GZK.Nel 1993 Fly’s Eye in configurazione monoculare(16 ) ha riportato un evento cui è stata assegnatal’energia di (3.2 6 0.9)310 20 eV. Laricostruzione dello sviluppo non mostra alcunaanomalia e sembra essere in accordo con l’ipotesiche il primario fosse un protone. Rimanel’incertezza legata al fatto di essere stato rivelatoin configurazione monoculare cosicché sela localizzazione non fosse esatta l’energia sarebbeminore. In tal caso però lo sviluppo sarebbeavvenuto più in basso con una particellache sarebbe arrivata fino alla profondità di800 g/cm 2 senza interagire: molto improbabile.Tenendo conto delle incertezze sull’efficienza diemissione ed di attenuazione della luce si scenderebbea 220 EeV. Globalmente non si andrebbecomunque sotto a 100 EeV (fig. 8).AGASA ( 19 ) è al momento l’apparato che haraccolto il maggior numero di eventi conE o D 60 EeV, dai quali sempre più evidenteche viene violato il cut-off GZK (vedi fig. 9).Il fatto che gli spettri ottenuti dai diversiesperimenti siano in accordo entro il 20% perenergie vicine a 10 19 eV sembra indicare che i41

IL NUOVO SAGGIATORE42Fig. 8. – Ricostruzione di alcuni eventi di altissima energia (a) distribuzione laterale della componente ef e deimuoni per l’evento di circa 200 EeV visto da AGASA; le due curve sono le distribuzioni laterali calcolate dallaestrapolazione delle curve ad energie inferiori ( 17 ); (b) profilo dello sviluppo longitudinale dell’evento di 300 EeVvisto da FE; questo è l’evento EAS con la più alta energia finora registrato ( 16 ).meccanismi di generazione e sviluppo deglisciami siano ben conosciuti e così pure le sistematiche.Le caratteristiche degli sciami diUHE visti con FE ed AGASA sono consistenti,con quanto ci si aspetta dallo sviluppo dicascate iniziate da adroni. La forma spettralesembra indicare l’assenza di un cut-off e lapossibilità di una nuova componente oltre3.5310 18 eV. Restano sconosciute la naturadelle particelle, la forma dello spettro, e qualisiano le sorgenti capaci di fornire alle particelleenergie così elevate.Fig. 9. – Lo spettro di raggi cosmici di UHE osservatoda AGASA ( 18 ). Le barre di errore rappresentano i limitipoissoniani superiori ed inferiori al 68% e lefrecce sono limiti superiori al 90% CL. Le cifre vicineai punti sperimentali sono il numero di eventi osservatiin ciascun intervallo di energia.4. – La composizione chimica alle altissimeenergieLa composizione chimica dei raggi cosmiciad energie superiori a 10 18 eV rimane ancoraincerta.

S. CECCHINI: IL MISTERO DEI RAGGI COSMICI DI ULTRA ALTA ENERGIAAkeno-AGASA puntano ad una composizioneche rimane sostanzialmente la stessa(aDAb 6 5) nell’intervallo 50 PeV–10 EeV.Tuttavia bisogna ricordare che l’analisi dipendestrettamente dai modelli Monte Carloutilizzati, che gli errori sistematici nella determinazionedell’energia sono dell’ordine del30% e che la dispersione dei dati sperimentaliè grande.5. – Teorie sull’origine degli eventi a10 20 eVFig. 10. – Variazione di X max in funzione della energiadel primario misurata dall’apparato Fly’s Eye: punti:dati sperimentali, quadrati: valori aspettati nel casodi raggi cosmici composti solo da protoni, cerchietti:valori aspettati nel caso di raggi cosmici composti soloda Fe, losanghe: valori aspettati nel caso di raggicosmici nell’ipotesi di due componenti.Il gruppo di Fly’s Eye ha studiato la composizionea partire da 10 17 eV confrontando lacrescita logaritmica di X max con l’energia osservatain due simulazioni. Nella prima si assumevache i primari fossero composti soloda protoni e nella seconda solo da nuclei diFe ( 19, 20 ). Dal confronto (vedi fig. 10) si deduceche vi è un possibile cambiamento da unacomposizione più pesante di quella osservatacon misure dirette a 0.1 PeV prima della «caviglia»(G0.3 EeV) ad una più leggera a energieattorno a 10 EeV. Il valore di X max fornitodalle simulazioni è chiaramente dipendentedal modello di interazione usato per cui nonha molto senso dedurre da questo confrontouna misura della composizione. Quello che èimportante è che la variazione di X max in funzionedell’energia nell’intervallo in esame èmolto più rapida di quella che ci si aspettaper qualsiasi composizione costante indipendentementedal modello usato e che rendaconto dei valori di X max osservati da Fly’s Eye.Anche i dati di Yakutsk ( 21 ) sembrano favorireuna composizione ricca di protoni alla altissimeenergie.Nel caso dell’apparato di AGASA ( 22 ) lacomposizione di massa è dedotta dal confrontodi r m (600) in funzione dell’energia con quelloche ci si aspetta se lo spettro di massa noncambiasse con l’energia. Le osservazioni diLa ricerca dell’origine dei raggi cosmici èstata sempre la ricerca degli «acceleratori»,ovvero di quelle sorgenti celesti e di queimeccanismi capaci di fornire energia ai raggicosmici su scale temporali tipiche della Galassiae/o dell’Universo.Per quanto riguarda la massa dei raggi cosmici(1 GeV–100TeV) vi è accordo generalesul fatto che questi siano di origine galattica.Considerazioni riguardanti la composizione–– rapporto (Li,Be,B secondari)/(C,N,O primari)–– e la luminosità dei raggi cosmici nellaGalassia sono tra i fatti a sostegno di taleteoria.Più difficile è tentare di spiegare gli eventidi altissima energia con una origine galattica.Il problema principale risiede nel fatto che lamassima accelerazione che è raggiungibile all’internodella nostra Galassia è molto piùpiccola di quella corrispondente ad una energiadi 10 20 eV.La teoria standard di accelerazione deiraggi cosmici si basa sul meccanismo di Fermial primo ordine che opera nelle onde d’urtoassociate con resti di supernovae, nelle onded’urto alla terminazione del vento galatticoe nei pulsars giovani, ma in tutti questicasi l’energia raggiunta è al massimo 10 19 eV.Un’analisi dimensionale ( 23 ) mostra che peruna regione di dimensioni L con campo magneticoB l’energia massima raggiungibile èE E Ze B L eC ,dove e è un fattore di efficienza del meccanismo,in generale molto più piccolo di 1.Considerando che la nostra galassia ha undiametro di circa 20 kpc ed è permeata da uncampo magnetico di circa 10 26 G, si vede cheè difficile raggiungere le energie osservate43

IL NUOVO SAGGIATORE44anche nel caso nuclei di Fe. Inoltre, dato cheil raggio di Larmor per una particella di caricaZe ed energia E o che attraversa un campomagnetico B è dato dar L (kpc)4E o [EeV]/(Z B[mG])ad una origine galattica sarebbe legata unaanisotropia nella distribuzione delle direzionid’arrivo con un eccesso nel disco della Galassia,cosa che come vedremo, non ha riscontriosservativi.Anche l’ipotesi dell’origine extragalatticaincontra difficoltà. I meccanismi di accelerazione,incluse onde d’urto ultra-relativistiche,possono operare in oggetti a più grande scalaquali nuclei galattici attivi (AGN) e radiogalassie,onde d’urto in clusters di galassie, e insorgenti che danno origine ai gamma-raybursts.Attualmente si ritiene che le regioni piùadatte per l’accelerazione dei raggi cosmicialle UHE siano le «macchie calde» (hot spots)osservate alla terminazione dei jets delle radiogalassie( 24 ). In tali regioni di campo magneticomolto intenso le perdite di energiadei protoni dovute a fotoproduzione non sonoparticolarmente forti dato che la densità dienergia dei fotoni è relativamente bassa.Questi oggetti però si trovano a distanze danoi maggiori di 100 Mpc e quindi, anche se laparticella (p o nucleo) viene generata con unaenergia superiore a 10 20 eV, questa viene sostanzialmentedegradata nel raggiungere laterra ( 25 ).Ricordando l’espressione per il raggio diLarmor di cui sopra si vede che una particellache attraversa una regione di alcuni Mpc,con un campo magnetico più piccolo o ugualea 10 2 9 G, verrebbe deflessa di circa 17. Pertantose le sorgenti sono vicine queste dovrebberoessere facilmente identificate, maquesto finora non è avvenuto.Secondo una diversa interpretazione questiraggi cosmici sarebbero il risultato del decadimentodi difetti topologici in particelle massivecon massa m X D 10 11 GeV, bosoni diHiggs e di gauge che decadendo a loro voltaproducono particelle con energie ben superioria 10 20 eV.Queste particelle X sarebbero state prodottenei processi di altissima energia dell’Universoprimordiale. Sarebbero poi rimaste finoai nostri tempi come stringhe cosmiche,stringhe superconduttive, coppie monopoloantimonopoloe necklaces cosmici ( 26 ). Due sonole questioni aperte da questi modelli (meccanismitop-down in contrasto con i meccanismidi accelerazione denominati bottom-up):cioè se i) il flusso e ii) gli spettri previsti perprotoni, fotoni e neutrini originati dalle particelleX sono compatibili con le osservazioni.Dalle stime correnti ci si aspetta che il numerodi raggi cosmici con energie E 10 20 eV generatiin questi meccanismi sia molto basso.Una segnatura di questo tipo di processi potrebberisiedere in una piccola depressionedello spettro proprio attorno a 80EeV. Leparticelle X decadono in genere in quark eleptoni. I quark nel processo di adronizzazioneproducono in massima parte pioni che generanofotoni e neutrini. La radiazione cosìprodotta potrebbe spiegare il fondo gammadiffuso per energie superiori a 10 GeV ( 27 ).Altro meccanismo attraverso il quale si puòevitare il problema del taglio-GZK è in relazionea tipi differenti di particelle superpesantiformatisi nei primi istanti dell’universoche si sono concentrate negli aloni galattici( 28-30 ) e che costituiscono la materia oscuradell’Universo. Nel loro decadimento con tempidi dimezzamento superiori all’età dell’Universoproducono protoni, fotoni e neutrini. Ilflusso di fotoni in questo caso come nel casodei necklaces è superiore a quello dei protoniad energie vicine a 1020 eV. In tutti i casi ilflusso dei neutrini più alto di quello dei protonie dei fotoni, sarebbe una evidenza dell’originedei raggi cosmici di UHE.Nel caso di meccanismi topdown vi sarebberosegni di anisotropia (20%) a seguito dellanostra posizione asimmetrica rispetto all’alonegalattico ( 31, 32 ).6. – AnisotropieLa ricerca di anisotropie nella direzione diarrivo dei raggi cosmici è iniziata praticamentecon la loro scoperta. Hess stesso fecedei voli di giorno e di notte per scoprire se ilsole era la sorgente dei raggi cosmici.Il metodo classico per la ricerca della anisotropiasi basa sull’analisi armonica in ascensioneretta (RA). In questo modo viene evidenziatoun eventuale flusso di raggi cosmicisu larga scala, ad esempio dal piano della galassia.

S. CECCHINI: IL MISTERO DEI RAGGI COSMICI DI ULTRA ALTA ENERGIATabella II. – Osservazioni dell’anisotropia di grande scala degli eventi di RC con energie E10 19 eV.EsperimentoEnergia no. eventi Ampiezza Fase RA Probabilità(EeV): (%) (gradi) (%)HP ( 33 ) 1–2 7320 2,161,7 70 0,3Yakutsk ( 34 ) 1–1,8 14972 1,661,2 198 0,17Fly’s Eye ( 35 )1–2 1579 6,6 318 0,91AGASA ( 36 ) 1–2 29207 4,261,0 297 0,00025“ 2–4 10129 2,0 256 0,33“ 4–8 2769 3,3 256 0,46Vi sono alcuni risultati significativi riportatiin tabella II. Come si vede vi è una certaconsistenza delle osservazioni dalle qualisembra emergere un eccesso di sciami localizzatonella direzione del centro della galassiae nella regione del Cigno. Questo sembrerebbedare supporto alla esistenza di raggicosmici, costituiti da protoni o neutroni, diorigine galattica almeno per energie superioria 10 18 eV.Salendo in energia il metodo dell’analisi armonicanon fornisce risultati affidabili a causadella scarsità degli eventi e si può guardarealle anisotropie di piccola scala, ovvero alraggruppamento di eventi più o meno numerosiattorno a direzioni particolari.Come abbiamo detto all’inizio, le tecnichedi rivelazione dei grandi sciami permettonouna buona ricostruzione della direzione d’arrivo(E 1–27). Ma va aggiunto che le particellecariche vengono deflesse nell’attraversareil campo magnetico della galassia o extragalattico.Se il campo magnetico attraversato èuniforme si può stimare la deviazione angolaredella traiettoria rispetto alla direzione diosservazione dau40.37 L(kpc) B[mG] Z/E o (100EeV),dove L è la distanza della sorgente. Questo valoreè inferiore alla risoluzione angolare degliapparati per particelle di 100 EeV ma divienecomparabile o superiore a quella di molti apparatiad energie più basse (ca. 10 EeV). È d’altraparte plausibile che i campi variino sia in intensitàche in direzione su così grandi dimensioniper cui le direzioni, di arrivo da una singolasorgente saranno caratterizzate da uno «sparpagliamento»che può essere approssimato dalfattore kL. Questo rende estremamente difficileuna chiara identificazione della direzione dell’eventocon un’unica sorgente.D’altra parte una possibilità per evitare ledifficoltà concettuali legate all’assenza del tagliodi GZK è quello che le sorgenti non sianodistribuite in maniera uniforme ma seguanola distribuzione della materia nell’universo.Alcune analisi hanno trovato indicazione dieccessi di particelle dal piano supergalattico(piano di simmetria della distribuzione dellagalassie vicine che formano il supercluster locale).Questo risultato non è stato confermatoda analisi successive condotte da AGASA eSUGAR per cui per il momento non si possonotrarre conclusioni affidabili. (Vedi tabella III.)Bisognerà aspettare i progetti futuri capaci diaccumulare eventi in numero maggiore.Altre osservazioni rilevanti sono le «quasicoincidenze» –– eventi con separazione angolareE2.57. Per E o D 40 EeV sono stati osservatiun «tripletto» e tre «doppietti». La probabilitàdi osservare 3 raggruppamenti diquesto tipo dovuta ad una coincidenza casualenell’ipotesi di una distribuzione isotropica èE 1%, mentre il numero aspettato di triplettiè 0.05 per il campione di dati analizzato ( 40 ).Anche se questi eventi puntano nella direzionedi sorgenti aventi interessanti caratteristicheè difficile spiegare come ciascuna diqueste coincidenze provenga da una stessaTabella III. – Studio della correlazione tra le direzionidi arrivo dei raggi cosmici du ultra-alta energiacon il piano supergalattico; viene calcolata la probabilitàche una distribuzione uniforme delle direzionidi arrivo produca il valore osservato per i dati sperimentali( 37-39 ).Energia HP AGASA SUGAR HP+AGASA(EeV)+VR+YaD 20 0,680 0,520 0,760 0,340D 40 0,006 0,470 0,800 0,012D 60 0,035 0,920 0,890 0,038D100 0,072 – – 0,07245

IL NUOVO SAGGIATORE46sorgente. In uno dei doppietti, costituito daun evento con energia di 44 EeV e uno di 106EeV, quest’ultimo è arrivato dopo ca. 3 annidal primo. Ora se si suppone che la loro sorgentesi trovi entro 30 Mpc (per via dell’effettoGZK), anche tenendo conto dello sparpagliamentodei tempi indotto dalla deflessionedelle traiettorie a causa della propagazionenel campo intergalattico, è poco plausibile ritenereche se le due particelle sono stateemesse allo stesso tempo, quella di più altaenergia accumuli un tale ritardo. D’altra parteè anche difficile immaginare un meccanismofisico per il quale una sorgente riesca amantenere per un così lungo tempo una potenzadi emissione al livello richiesto per generarei due eventi. Una loro origine in occasionedi gamma-ray burst è da considerarsiimprobabile. Considerazioni simili escludonouna origine legata ai meccanismi top-down.In definitiva è prematuro trarre conclusionicerte sulla base di così poche osservazioni.7. – Prospettive futureL’apparato AGASA raccoglie circa 100eventi/anno con E o D 10 19 eV, mentre FE,nella sua nuova configurazione HiRes, sarà ingrado di rivelare circa 200 eV/anno.Ma per affrontare e risolvere il problemadella origine dei RC di UHE è necessario rivelaree studiare gli sciami con log(E o ) D 19ad un ritmo ancora più alto e con una efficienzauniforme per l’emisfero Nord e Sud.La collaborazione internazionale raggruppataattorno al progetto Auger ( 2 ) prevede dicostruire due apparati per sciami, rispettivamentein Nord America ed in Argentina, ciascunocon una area di raccolta di 3000 km 2 .Per la rivelazione degli sciami verranno impiegatela tecnica classica del campionamentodella densità di particelle e quella della raccoltadella luce di fluorescenza. Un disegno dibase dell’apparato prevede 1600 contenitoripieni di acqua (vedi fig. 11) usati per rivelarela luce Cerenkov emessa dalle particelle nelloro attraversamento. Con tali rivelatori èpossibile misurare anche il contenuto dellosciame in muoni. Le unità sarebbero dispostesu una griglia esagonale e spaziate di 1.5 kmper usare tecniche di campionamento entrol’intervallo di distanze da 500 m a 3000 m dalcentro. Al centro sarà costruito un sistema diFig. 11. – Foto di una unità di rivelazione del ProgettoAuger ( 2 ).rivelazione della luce di fluorescenza simile aquello di Fly’s Eye HiRes. Il progetto prevedeche in questo modo sarà possibile risalirealla stima dell’energia con una accuratezzadel 20% e con una risoluzione angolare di 17(questa risoluzione scende a 0.37 quando glieventi sono visti in coincidenza dai due sistemi).Dall’estrapolazione del numero di eventifinora osservati si stima di raccogliere 8000eventi/anno con log(E o )419 e 30 eventi/annocon log(E o )420.2.Altrettanto ambizioso è il progetto AIR-WATCH-OWL, una collaborazione internazionaletra Italia, Giappone e Stati Uniti chevede la realizzazione di una idea avanzata perla prima volta da J. Linsley nel 1981 ( 40 ) e hatra i principali collaboratori L. Scarsi ( 41 ).L’esperimento prevede di osservare il fenomenodella fluorescenza prodotta in atmosferadagli sciami UHE guardando verso il bassocon specchi provvisti di lenti di Fresnelposti a bordo della Stazione Spaziale Internazionaleo a bordo di satelliti posti in orbita bassa(vedi fig. 12). Con questa tecnica sarebbepossibile avere una accettanza D5310 5 km 2sr e rivelare 5000 ev/anno con E o A 10 20 eV(se non c’è il cut-off di GKZ) o 50–100 ev/annonel caso di cut-off di GKZ. Con queste caratteristichel’esperimento potrebbe estenderel’osservazione dello spettro fino a 10 21 eV ecercare gli eventi di neutrini di altissimaenergia, guardando alle tracce molto inclinateche attraversano quasi orizzontalmentel’atmosfera, generati da AGN o anche dal decadimentodei pioni prodotti a seguito dell’effettoGZK.

S. CECCHINI: IL MISTERO DEI RAGGI COSMICI DI ULTRA ALTA ENERGIAIl più grande apparato di sciami sarà forsecostruito con la collaborazione degli studentidelle High Schools di Canada e Stati Unitid’America ( 42 ). L’idea è quella di utilizzare deicontatori a scintillazione (di circa 0.5 m 2 ) costituitida materiale plastico posto fra due lastredi alluminio e visto lateralmente da unfotomoltiplicatore. Ogni istituto disporrà ditre di questi rivelatori in coincidenza e di unPC per l’acquisizione dei dati. Dal ritardo relativosarà possibile stabilire la direzione diarrivo tramite la misura dei tempi di arrivomediante ricevitori GPS. Un computer centralericeverà e confronterà i dati temporalidella rete di rivelatori e controllerà le possiblicorrelazioni su grandi aree. Gli studentinon solo dovranno far funzionare i rivelatori,ma analizzare i dati e presentare i risultati.Questo è sicuramente un metodo efficace perportare gli studenti a contatto con la ricerca.8. – ConclusioniFig. 12. – Satelliti muniti di sistemi di specchi osservanola traccia di fluorescenza lasciata da uno sciamegenerato da raggi cosmici di altissima energia in atmosfera(a). Una delle possibili configurazioni dell’otticadel progetto AIRWATCH-OWL (b).A 90 anni dalla scoperta dei raggi cosmicila loro origine rimane ancora un mistero.In questo articolo si è cercato di focalizzarel’attenzione sugli eventi di UHE che al momentohanno suscitato grande interesse perle implicazioni circa i processi fisici all’operanell’Universo.Tuttavia è importante sottolineare che unacompleta comprensione della natura dei raggicosmici non può prescindere dalle osservazionia più bassa energia a cominciare da dovenon è più possibile condurre misure dirette(attorno ai 100 TeV–1 PeV) fino alle energieinferiori dei grandi apparati di cui abbiamoparlato (attorno a 10 17 eV). In questo sensorivestono notevole importanza le misure condotteda apparati di sciami quali EAS-TOP(Italia), KASKADE(Germania), Dice(Utah), ThienShan (Kaazakhstan), Akeno(Giappone) che sono sensibili in questo intervallodi energia. Questi esperimenti potrannofornirci informazioni basilari sulla validità deimodelli di interazione, sulle sezioni d’urto esui meccanismi di accelerazione che possonorendere conto di una grande parte dello spettroche ancora non conosciamo oltre che discriminaresu contributi da sorgenti vicine,quali ad esempio una supernova esplosa intempi relativamente recenti.Il mistero dell’origine dei raggi cosmici di ultraalta energia appare dunque legato allastruttura ed origine stessa del nostro Universoe il futuro della ricerca in questo campo si dimostraancora affascinante come un secolo fa.Bibliografia(1) P. Auger et al., Compt. Rend., 206 (1938) 1721.(2) The Pierre Auger Observatory Design Report (2ndedition), March 1997.(3) P. Bassi, G. Clark and B. Rossi, Phys. Rev., 92 (1953)441.(4) K. Greisen, Progress in Cosmic Ray Physics III (1956)p. 1.(5) J. Linsley, Phys. Rev. Lett., 10 (1963) 146.(6) K. Greisen, Phys. Rev. Lett., 16 (1966) 748.47

IL NUOVO SAGGIATORE48(7) G.T. Zatsepin and V.A. Kuzmin, JETP Lett., 4 (1966) 78.(8) S. Yoshida and M. Teshima, Prog. Theor. Phys., 89(1993) 833.(9) J. Knapp, Proc. 25th Int. CR Conf., Durban, 1997 p. 8, 83.(10) G. Giacomelli and R. Giacomelli, Proc. 4th School onNon-Accelerator Particle Astrophysics a cura di E.Bellotti et al., (World Scientific, 1996).(11) A. M. Hillas et al., Proc 12th Int. CR Conf., Hobart1971, p. 3, 1001.(12) A.E. Chudakov et al., Proc 6th Int. CR Conf., Mosca1959, p. 2,50.(13) M. Teshima, Proc. 23rd Int. CR Conf. a cura di D. A.Leahy et al. (World Scientific, 1994) p. 257.(14) M. A. Lawrence, R.J.O Reid and A.A. Watson, J. Phys.G: Nucl. Part. Phys., 17 (1991) 733.(15) N. N. Efimov et al., Proc. Int. Symp. on the AstrophysicalAspects on the Most Energetic Cosmic Rays acura di N. Nagano and F. Takahara eds., 21 (WorldScientific, 1991).(16) D. J. Bird et al., Astrophys. J., 441 (1995) 144.(17) S. Yoshida et al., Astropart. Phys., 3 (1995) 105.(18) M. Takeda et al., astro-ph/9807193, in pubblicazione inPhys. Rev. Lett.(19) D. J. Bird et al., Phys. Rev. Lett., 71 (1993) 3401.(20) L. K. Ding et al., Astrophys. J., 474 (1997) 490(21) B. N. Afasaniev et al., Proc. Int. Symp. «ExtremelyHigh Energy Cosmic Rays» a cura di M. Nagano, 32(ICRC Tokyo, 1996).(22) N. Hayashida et al., Proc. Int. Symp. «Extremely HighEnergy Cosmic Rays» a cura di M. Nagano, 17 (ICRCTokyo, 1996).(23) A. M. Hillas, Annu. Rev. Astron. Astrophys., 22 (1984) 425.(24) P.L. Biermann, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys., 23 (1997) 1.(25) F. A. Aharonian and J. W. Cronin, Phys. Rev. D, 50(1994) 1892.(26) V. Berezinsky, Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.) 75A (1999) 119.(27) G. Sigl et al., hep-ph/9809242(28) M. Birkel and S. Sarkar, Astrop. Phys. 9 (1998) 297.(29) V. Berezinski et al., Phys. Rev. Lett., 79 (1997) 4302.(30) S. L. Dubovsky and P.G. Tinyakov, hep-ph/9802382.(31) G. A. Medina-Tanco and A.A. Watson, astro-ph/9905240.(32) V. Berezinsky and A.A. Mikhailov astro-ph/9810277 v3.(33) M.S. Gillmore and A.A. Watson, 23rd Proc. Int. CRConf. (Calgary, 1993) p. 2, 47(34) N. N. Efremov et al., Proc. Int. Symp. «ExtremelyHigh Energy Cosmic Rays» a cura di M. Nagano, 418(ICRC Tokyo, 1996).(35) G. L. Cassidy et al., Astrophys. J., 351 (1990) 454.(36) N. Hayashida et al., astro-ph/9807045 and astro-ph/9906056.(37) T. Stanev et al., Phys. Rev. Lett., 75 (1995) 3056.(38) N. Hayashida et al., Phys. Rev. Lett., 77 (1996) 1000.(39) L. J. Kewley et al., Astropart. Phys., 5 (1996) 69.(40) M. Takeda et al., astro-ph/9902239.(41) Benson and Linsley, Proc. 17th Int. CR Conf., Paris,1981, p. 8, 145.(42) L. Scarsi, Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.), 75A (1999) 128.(43) J. Kumagai, Phys. Today, 10 (1998) 73.Stefano Cecchini è primo ricercatore presso l’IstitutoTESRE del CNR di Bologna. Dal 1970 si occupa diricerche nel campo dei raggi cosmici, del mezzo interplanetarioe delle relazioni Sole-Terra.Dal 1986 partecipa all’esperimento MACRO presso iLaboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN.Recentemente si è occupato del monitoraggio della radiazioneambientale (radiazione gamma con E D 50 keV daraggi cosmici e radioattività aerotrasportata) nell’ambitodel Progetto Nazionale delle Ricerche in Antartide.Fa inoltre parte dell’esperimento SPOrt a bordo dellaStazione Spaziale Internazionale (2003) per lo studio dellapolarizzazione della radiazione cosmologica di fondo.CONDENSAZIONE DI BOSE-EINSTEINAL LABORATORIO DI SPETTROSCOPIANONLINEARE DI FIRENZEMassimo InguscioLENS - Largo E. Fermi, 2 - 50125 Firenze.Nel giugno 1995, durante la conferenza internazionaledi spettroscopia laser svoltasi a Capri,Eric Cornell riportava la realizzazionesperimentale della condensazione di Bose-Einstein (BEC) in un gas atomico diluito ( 1 ).Si trattava di un risultato lungamente inseguitodalla fisica di questo secolo e le successivedecine e decine di lavori pubblicati testimonianol’esplosione di interesse in questocampo ( 2 ). La realizzazione della BEC comunqueè tuttora limitata a relativamente pochilaboratori al mondo, data la difficoltà di superaremolti passi sperimentali, combinandol’ottimizzazione di sofisticati aspetti tecnicicon una notevole dose di fantasia ed intuitonella scelta dei vari parametri.Perché tanto interesse? La risposta staforse nel fatto che fenomeni fisici fondamentali,ancorché stupefacenti e poco intuitivi,come la superfluidità, la superconduttività ol’emissione laser, hanno in comune l’occupazionemacroscopica di un solo stato quantistico.La BEC in un gas di atomi diluiti (la distanzamedia fra due atomi è piccola rispettoalla lunghezza di scattering) presenta il vantaggiodi poter essere trattata dal punto divista teorico (equazione di Gross-Pitaevskiiper un sistema inomogeneo di bosoni debolmenteinteragenti).Gli atomi, pur essendo costituiti da fermioni(protoni, neutroni, elettroni), possono averespin totale intero e dare quindi luogo a fenomenicaratteristici di un insieme di bosoni.È il caso della superfluidità in 4 He o dellaBEC in un gas diluito, sino ad oggi riportatasolo per 87 Rb, 23 Na, 7 Li e H. Come detto, lacondensazione di Bose-Einstein in un gas diluitoè assai interessante perché prossima alcaso ideale di gas non interagente, ma la suarealizzazione ha un prezzo notevole dal momentoche si è obbligati a lavorare in un regimedi non equilibrio termodinamico. Cerchiamodi spiegare meglio la situazione con l’aiutodi fig. 1 (tratta da una trasparenza mostratada E. Cornell a Varenna ( 2 )) in cui vieneriportato un generico diagramma delle fasi.

M. INGUSCIO: CONDENSAZIONE DI BOSE-EINSTEIN AL LENS DI FIRENZEFig. 1. – Generico diagramma delle fasi. La linea tratteggiatarappresenta la separazione fra fase condensatae fase non condensata. La linea continua mostrail limite fra la regione permessa e la regione vietata.A basse densità la BEC può esistere solo in un regimeproibito dal punto di vista termodinamico (da una lezionedi E. Cornell a Varenna 1998.)Ad alte densità si hanno le forme di materiacondensata ed a basse densità è permessa lafase di vapore ad alte temperature. Si noti lalinea continua che segna il confine tra BEC/non-BEC e che evidenzia come la BEC a densitàbasse o intermedie sia tutta in zona proibita,con l’ovvia eccezione dell’ 4 He. Realizzareun condensato con densità ordini di grandezzaal di sotto di quelle dell’elio liquido èquindi vietato solo, però, se lo si vuol fare incondizioni di equilibrio. Se il gas è molto rarefatto(10 10 210 14 cm 23 ) è possibile procederein condizioni di metastabilità. A densitàcosì basse le collisioni a tre corpi che porterebberoad aggregazioni stabili, sono pocofrequenti ed è possibile scendere sino alletemperature necessarie per il raggiungimentodella BEC. Una stima di queste temperaturesi può fare ricordando che la BEC è conseguenzadell’indistinguibilità delle particellee della loro natura ondulatoria. All’atomo dimassa m è associato un pacchetto d’onda conestensione data dalla lunghezza d’onda di dehBroglie l dB 4 . Quando, al diminuiredi T, l dB diventa confrontabile con lek 2pmK B Tdistanze interatomiche, i pacchetti si sovrappongonoe l’indistinguibilità gioca un ruolofondamentale: nel caso di bosoni si ha unatransizione degli atomi ad un unico statoquantistico coerente. La temperatura di transizionee la densità atomica n sono legate dallarelazione nl 3 dB 42.612 nel caso di un gaslibero e che resta dell’ordine dell’unità per ungas intrappolato. I valori precisi di n e T dipendonodal potenziale di confinamento degliatomi ed evidentemente dalla loro massa. Nelcaso del rubidio, atomo cui faremo riferimentonel seguito di questo articolo e utilizzatonell’esperimento svolto a Firenze, le densitàsono dell’ordine di 10 14 cm 23 , con separazionetra gli atomi di circa 200 nm e la temperaturacritica di transizione è di alcune centinaia dinanokelvin, mentre ad esempio nel caso dellaBEC nel sodio, più leggero, investigata congrande successo al MIT da Wolfgang Ketterle,la temperatura è un po’ più elevata e raggiungeil microKelvin.Solo un decennio fa la BEC pareva cosa impossibileda realizzarsi con atomi, in particolarecon atomi alcalini, proprio per le temperaturetroppo basse di transizione a cui obbligavala loro massa «elevata». D’altra partel’esistenza negli atomi di gradi di libertà internie delle conseguenti transizioni elettromagneticheche consentono assorbimento edemissione di fotoni sono alla base della realizzazionedel «raffreddamento laser», primopasso fondamentale per il raggiungimentodelle temperature che hanno consentito l’osservazionedi questo fenomeno. Il raffreddamentolaser sfrutta il «rallentamento» di unatomo in conseguenza della conservazionedell’impulso nel processo di assorbimentoriemissionedi un fotone e riesce a ridurre levelocità di un gas rarefatto da quelle termiche(centinaia di m/s) a poche decine di cm/s.Le temperature corrispondenti sono di alcunimilionesimi di grado Kelvin, con conseguenteapertura di una nuova frontiera della fisica, chetra l’altro motivava il premio Nobel assegnatoa Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji e WilliamD. Phillips nel 1997. In una trappola magneto-ottica(MOT) si sfrutta l’interazione atomo-fotonein presenza di un campo magneticodi quadrupolo e questo permette di raffreddareed allo stesso tempo intrappolare gli atomi. Èpossibile, partendo da temperatura T4300 Ke pressione p A 10 29 Torr (nl 3 dB 410 220 ) ottenereun campione di rubidio con n410 10 cm 23e T A 50 mK (nl 3 dB 410 27 ) come schematicamentemostrato in fig. 2. Si noti che lo stessoraffreddamento laser è composto da fasi diverse(MOT, CMOT e melassa) che mirano adaumentare la compressione degli atomi tenendobassa la temperatura ( 3,4 ).Il raffreddamento laser ha però, a meno dischemi molto complessi, il suo limite in densi-49

IL NUOVO SAGGIATORE50Fig. 2. – Lunghezza d’onda di de Broglie e densità delcampione di 87 Rb durante le diverse fasi del raffreddamento:a grafici di questo genere si fa riferimento,in forma molto espressiva, come ad una odissea nellospazio delle fasi.Fig. 3. – Atomi freddi preparati in un opportuno sottolivelloZeeman possono essere «intrappolati» nelminimo di un campo magnetico. Riportiamo l’andamentodel modulo del campo magnetico lungo l’asse xper (a) un campo di quadrupolo con il minimo a zero,(b) un campo con andamento quadratico e minimo diversoda zero. In (c) viene riportato schematicamentel’andamento dell’energia dei livelli Zeeman, per un livellocon momento angolare totale pari a 2, in unatrappola magnetica armonica. I livelli con M42 edM41, la cui energia cresce al crescere del campo magnetico,sono livelli intrappolabili. hn RF rappresental’energia necessaria a compiere una transizione RFverso il livello M40, non più intrappolato dal campo,sfruttata per il raffreddamento evaporativo forzato.tà e temperatura proprio nel processo di interazioneatomo-fotone. Le temperature minimeosservabili sono limitate dal riscaldamentodovuto all’emissione spontanea mentre ledensità massime sono limitate dal riassorbimentodei fotoni diffusi e dalle collisioni checoinvolgono atomi negli stati eccitati. È statoquindi necessario sviluppare un metodo ulterioredi raffreddamento che, combinato conun aumento nella densità, consentisse di recuperarei sette ordini di grandezza ancoramancanti al raggiungimento di una densitànello spazio delle fasi dell’ordine dell’unità. Ilmetodo vincente è quello dell’evaporazioneforzata in una trappola magnetica.A questo scopo gli atomi, pre-raffreddatidal laser, vengono pompati otticamente, comeinsegnato da Gozzini in Italia negli anni sessanta,in un unico sottolivello Zeeman, quindicon un unico momento di dipolo magnetico m,per poi essere «trasferiti» in un campo magnetico.La configurazione di trappola magneticapiù semplice a realizzarsi è quella diquadrupolo, in cui si produce un campo magneticoa forte gradiente in modo che gli atomivengano intrappolati nel minimo del potenzialeU42 mnB.Il successivo passo consiste nel far via via«evaporare» gli atomi più caldi aspettandoche quelli rimanenti termalizzino a temperaturesempre più basse. Sorge subito un problema:un atomo che si muova in un campomagnetico resta orientato e quindi intrappolatose il suo momento magnetico precede intornoal campo e lo segue adiabaticamente.Questo non avviene quando la precessione diLarmor è lenta rispetto alla variazione di direzionedel campo magnetico, come nell’intornodi un punto in cui il campo si annulla, cheè proprio il caso della trappola magnetica diquadrupolo relativamente facile a realizzarsi(fig. 3a). Come previsto e calcolato da EttoreMajorana ( 5 ), gli atomi che passano vicino allozero del campo possono compiere una transizionedi «spin-flip» verso un livello Zeemannon intrappolato. È evidente che questo meccanismoriduce seriamente la vita media delcampione atomico nella trappola magneticavia via che la temperatura diminuisce. Bisognaquindi ricorrere a configurazioni di campomagnetico con un minimo diverso da zero(fig. 3b). A Firenze si è fatto ricorso ad unaconfigurazione realizzata a Trento da L. Riccie che, impiegando due bobine aggiuntive rispettoa quelle che realizzano un campo diquadrupolo (fig. 4), costituisce una variantedi configurazioni esistenti, compatibile peròcon un apparato sperimentale da noi volutoversatile per possibili studi futuri con diversiatomi, inclusi isotopi fermionici. Intorno alminimo il campo ha un andamento quadratico(trappola armonica) caratterizzato da una

M. INGUSCIO: CONDENSAZIONE DI BOSE-EINSTEIN AL LENS DI FIRENZEFig. 4. – Schema della configurazione di bobine utilizzataa Firenze per creare una trappola magnetica armonicacon un minimo diverso da zero. Le due bobineverdi in configurazione anti-Helmholtz producono uncampo di quadrupolo. La bobina rossa genera la curvaturanella direzione assiale (x) e la bobina blu permettedi controllare il minimo della trappola.simmetria cilindrica rispetto all’asse orizzontalex. Gli atomi di Rb intrappolati compionooscillazioni armoniche con frequenze dell’ordinedi 13 Hz in direzione assiale (x) e di circa200 Hz nella direzione radiale. Gli atomipiù «caldi» compiono oscillazioni più ampieintorno alla posizione di minimo il che li portain regioni a campo magnetico più alto. Questofornisce la chiave per l’ulteriore processo diraffreddamento che è quello dell’evaporazioneforzata che si può comprendere con l’aiutodi fig. 3c. Giocando sulla diversa intensitàdell’effetto Zeeman, infatti, si possono indurretransizioni a radiofrequenza selettive intemperatura ad un altro sottolivello per ilquale l’energia magnetica non ha più un minimoe quindi l’atomo non è più intrappolato. Siparte con un valore di radiofrequenza relativamentealto, circa 20 MHz e si spazza la frequenzaverso il basso in modo da far evaporareatomi sempre meno caldi e lasciare che glialtri termalizzino a temperature sempre piùbasse. Questo processo è estremamente criticopoiché si perdono ordini di grandezza nelnumero di atomi e il successo è garantito solose il tempo di termalizzazione (che dipendeda n, T e dalla sezione d’urto per collisionielastiche) è molto minore della vita mediadella trappola. Dal momento che il limite piùstringente alla vita media della trappola magneticaè costituito dalle collisioni degli atomiintrappolati con gli atomi caldi residui, l’evaporazionedeve essere fatta in condizioni diultravuoto (10 211 Torr). A pressioni cosí basserisulta però limitato il numero di atomi chepossono essere intrappolati e raffreddati nellaMOT. Una possibile soluzione è quella didividere spazialmente le due zone: quella dicattura e preraffreddamento a partire dal vaporetermico e quella in cui avviene il raffreddamentoevaporativo nella trappola magnetica.Nell’esperimento di Firenze l’apparatosperimentale prevede due celle separate econnesse da un tubo lungo 40 cm in cui è possibilemantenere un vuoto differenziale(p410 29 Torr nella cella in cui avviene lacattura degli atomi a partire dal vapore termicoe p410 211 Torr nella cella in cui avvienel’evaporazione). Il sistema è detto a doppia-MOTdal momento che gli atomi vengonoprima catturati e raffreddati in una primaMOT nella cella dove il vuoto è meno spinto,quindi trasferiti (con un fascio laser risonante)nella seconda cella dove vengono ricattu-Fig. 5. – Immagini in assorbimento a falsi colori dellanuvola atomica per diversi valori finali della radiofrequenza(n RF ) a cui viene fermata l’evaporazione edopo 20 ms di espansione. Andando dall’alto al bassoe da sinistra a destra n RF viene diminuita ogni volta di100 kHz (da 0.94 MHz a 0.91 MHz). Quandon RF 40.94 MHz si osserva un campione termico(espansione isotropa), via via che l’evaporazione procedeal centro si forma un picco più denso che rappresentala parte condensata con una forma ellittica(espansione asimmetrica). A n RF 40.91 MHz si osservaun condensato puro.51

IL NUOVO SAGGIATORE52rati da una seconda MOT e finalmente trasferitinella trappola magnetica. Il trasferimentonella trappola magnetica viene fatto in duepassi. La trappola a 4 bobine utilizzata ha infattiil minimo di campo a 5 mm dallo zero delquadrupolo (dove si forma la MOT). Per avereun efficiente trasferimento dalla MOT allatrappola magnetica, gli atomi vengono primaintrappolati nella trappola di quadrupolo equindi trasferiti adiabaticamente nella trappolaarmonica. A questo punto può cominciareil raffreddamento evaporativo.Temperatura, dimensioni e densità dellanuvola atomica durante il raffreddamento finoalla formazione del condensato di Bose-Einstein, vengono misurate facendo un’immaginein assorbimento del campione. Gli atomivengono illuminati da un breve impulso(A 50 ms) di luce risonante e l’ombra dellanube viene raccolta su una telecamera CCD.A causa dell’elevata densità ottica, per faremisure quantitative è preferibile, ultimata lafase di raffreddamento evaporativo, spegnerei campi di trappola ed attendere che il campioneespanda per alcuni millisecondi. L’aumentodelle dimensioni del campione durantel’espansione riduce anche un po’ le richiestedi risoluzione spaziale per il sistema otticoche restano comunque stringenti trattandosi,alla fine, di «fotografare» circa un milione diatomi in una nube con dimensioni di alcunecentinaia di mm. La fig. 5 si riferisce ad immaginiprese dopo il raffreddamento evaporativo,con valori sempre più bassi del valoredi radiofrequenza a cui si arresta la rampa.Nella prima immagine in alto a sinistra nonsi sono ancora fatti evaporare atomi a sufficienzaed il campione è ancora al di sopradella temperatura critica. In tutte le altreimmagini il «taglio» con la radiofrequenzaviene spinto sempre più in basso e semprepiù evidente diventa la componente di condensatoal centro. Un’importante osservazioneè che il condensato, a partire da una trappolaa simmetria cilindrica, espande in manieraasimmetrica, mentre la nube di atomiancora in fase gassosa segue un’espansioneisotropa (queste immagini sono state presecon un tempo di espansione di 20 ms). In fig. 6vengono riportate una sezione dell’immaginesulla CCD ed il fit del profilo di densità chevien fatto assumendo una distribuzione gaussianaper il gas termico mentre per la componentecondensata il profilo di densità è unaFig. 6. – Sezione dell’immagine in assorbimento diuna nuvola atomica che presenta sia una parte condensata(picco al centro) che una componente termica.La linea tratteggiata rappresenta il fit del profilodi densità che viene fatto con una gaussiana per lacomponente termica e con una parabola invertita perquella condensata. Dal fit vengono ricavati numero edensità di atomi nella frazione condensata (N A 10 4 ,n A 10 13 cm 23 ), numero di atomi e loro densità nellacomponente termica (N A 10 5 , n A 10 12 cm 23 ) e latemperatura della nuvola termica T A 200 nK.parabola invertita. Dalle dimensioni della nubetermica espansa si risale alle dimensionidella nube nella trappola armonica e quindialla sua temperatura. La temperatura ditransizione stimata è di A 200 nK. Una suggestivaricostruzione tridimensionale del profilodi densità attraverso la transizione dacampione termico a condensato puro è mostratain fig. 7.Si è già detto che il fenomeno della BEC,dopo le pioneristiche osservazioni al JILA, alMIT ed alla Rice University, è stato riprodottosolo in un numero ancora limitato di laboratori,tutti molto avanzati tecnologicamente,che includono Stanford, Austin, Harvard, Yale,NIST-Gaithersburg negli USA, Tokyo eKyoto in Giappone, Otago in Nuova Zelanda,oltre ad un numero esiguo in Germania (adesempio il Max Planck di Monaco), Francia(Ecole Normale Superieure e Orsay) e GranBretagna (ad esempio Oxford) per quanto riguardal’Europa. In Italia, con finanziamentiCNR, INFM e MURST, si è svolto un programmanazionale sia teorico che sperimentaleche coinvolgeva anche le Università diTrento, Milano, Pisa e la Scuola Normale eche prevedeva la realizzare di un condensato

M. INGUSCIO: CONDENSAZIONE DI BOSE-EINSTEIN AL LENS DI FIRENZEFig. 7. – Ricostruzione tridimensionale del profilo spaziale di assorbimento della nuvola atomica attraverso latransizione da campione termico (a sinistra in figura) a condensato puro.di Bose-Einstein presso il Laboratorio Europeodi Spettroscopia Nonlineare (LENS) dell’Universitàdi Firenze. Il progetto è stato coronatoda successo lo scorso 10 giugno ed ilmerito va a Marco Prevedelli, Chiara Fort eFrancesco Minardi, con un apparato costruitonell’ambito di un esperimento più articolatoche ha visto l’importante contributo di FrancescoS. Cataliotti (ora in Germania al MaxPlanck Institut für Quantenoptik di Garching)e la collaborazione di Leonardo Riccidell’Università di Trento e Guglielmo M. Tinodell’Università di Napoli. È ora possibilepensare ad applicazioni affascinanti che vannoda sofisticati effetti di coerenza con la materiain questo nuovo stato, alla realizzazionedi computer ottici, laser «atomici» o di nuovisistemi per l’osservazione dell’effetto Josephsono ancora all’estensione a sistemi fermionici.53Fig. 8. – Immagini in assorbimento del condensato in caduta libera: la prima immagine è presa 7 ms dopo lospegnimento della trappola magnetica e le successive sono prese a intervalli di 3 ms fino ad un tempo massimo di25 ms. Durante l’espansione il condensato cambia forma. Come previsto dal principio di indeterminazione di Heisenbergla direzione inizialmente più confinata è quella che espande più rapidamente.

IL NUOVO SAGGIATOREPagato il prezzo necessario per superaregrosse difficoltà, abbiamo ora a disposizioneun sistema che suscita interessi in vari campidella fisica che vanno dalla fisica atomica allafisica dello stato solido ed alla meccanica statistica.È qualcosa di nuovo che suscita curiositàfortemente interdisciplinari dato che siparte con atomi rarefatti e si giunge a fluidiquantistici ( 6 ) e, comunque, abbiamo per lemani qualcosa di molto bello da osservare.Mi piace a questo proposito chiudere conl’immagine in fig. 8 che si riferisce ad un condensatoosservato con ritardi crescenti dopoavere spento la trappola magnetica. Il condensato,lasciato libero, cade di moto accelerato nelcampo gravitazionale e si espande. Si noti comela forma sia inizialmente allungata in direzioneorizzontale ed evolva sino a diventare allungatanella direzione verticale. Bella evidenza, questa,degli effetti del principio di indeterminazionedi Heisenberg che obbliga il pacchetto d’ondaad acquistare impulso maggiore nella direzionenella quale è più localizzato all’inizio.References(1) M. H. Anderson, J. R. Ensher, M. R. Matthews, C. E.Wieman, E. A. Cornell, «Evidence for Bose-Einstein Condensationin a dilute atomic vapor» XII InternationalConference on Laser Spectroscopy, Capri, Italia 1995 acura di M. Inguscio, M. Allegrini, A. Sasso, pag. 3-6 M. H.Anderson, J. R. Ensher, M. R. Matthews, C. E. Wieman,E. A. Cornell, «Observation of Bose-Einstein condensationin a dilute atomic vapor» Science 269, 1989 (1995).(2) Per una prima illustrazione completa dello stato dell’artesi rimanda ai Proceedings della Scuola Internazionale diFisica «Enrico Fermi», Corso CXL «Bose-Einstein condensationin atomic gases» a cura di M. Inguscio, S.Stringari e C. E. Wieman (IOS Press, Amsterdam, 1999)(3) E. Arimondo, W. D. Phillips e F. Strumia (Curatori)«Laser manipulation of atoms and ions» Proceedingsdella Scuola Internazionale di Fisica «Enrico Fermi»,Corso CXVIII (North Holland, Amsterdam) 1992.(4) Per un’analisi del raffreddamento laser finalizzata allaBEC si veda: G. M. Tino, M. Inguscio, «Experimentson Bose-Einstein condensation» Rivista del Nuovo Cimento,22 n. 4 (1999).(5) E. Majorana, «Atomi orientati in campo magneticovariabile», Nuovo Cimento, 9, 43 (1932).(6) F. Dalfovo, S. Giorgini, L. P. Pitaevskii, and S. Stringari«Theory of Bose-Einstein Condensation in trappedgases» Rev. Mod. Phys. 71, 463 (1999).Massimo Inguscio è nato a Lecce nel 1950, si è laureatoin fisica a Pisa nel 1972 ed ha conseguito ilDiploma di Perfezionamento presso la Classe diScienze della Scuola Normale Superiore dove è statoanche studente. Ha svolto attività di ricerca ed hainsegnato in varie Università: Pisa, Napoli e Firenze.In quest’ultima è attualmente professore di FisicaAtomica e direttore del Laboratorio Europeo diSpettroscopia Nonlineare (LENS). Continua ad interessarsidi interazione della luce con atomi e molecolesia per indagini spettroscopiche che per lo studiodi nuovi fenomeni.54

FISICA E TECNOLOGIAIL PROGRAMMA EUROPEO SULLA FU-SIONE TERMONUCLEARE NEL CONTE-STO DELL’ATTIVITÀ MONDIALE: STA-TO DELL’ARTE E PROIEZIONI PER ILFUTUROUmberto Finzi, Charles MaisonnierEuropean Commision, Rue de la Loi 200,B-1049 Bruxelles1. – PreamboloPer uno sviluppo globale sostenibile, è necessarioche i paesi industrializzati mettano apunto una serie di opzioni energetiche a corto,medio e lungo termine. La fusione termonuclearedi nuclei leggeri (per esempio gliisotopi dell’idrogeno: deuterio e trizio), che èall’origine dell’energia irraggiata dalle stelle,è una delle poche opzioni che offrono la prospettiva,a lungo termine, di una sorgente dienergia elettrica di base, che presenta promettenticaratteristiche ambientali e di sicurezza,e utilizza combustibili praticamenteinesauribili ed universalmente accessibili.Le ricerche sulla fusione sono giunte ad unostadio dove sarebbe scientificamente e tecnicamentepossibile costruire il primo reattore sperimentale.La successiva realizzazione di unreattore commerciale richiederebbe tuttaviaimportanti progressi in tecnologia ed in ingegneria,cosicché un impatto sostanziale dellafusione nel campo energetico non è prevedibileprima della metà del secolo venturo.In Europa, le ricerche energetiche possonoricevere supporto dall’Unione Europea(U.E.) attraverso i meccanismi del ProgrammaQuadro di Ricerca. In applicazione delprincipio di «sussidiarietà» (non si deve intraprenderea livello centrale ciò che può essereeseguito a livello periferico), non tutte leopzioni energetiche richiedono per il loro sviluppol’intervento delle Istituzioni Europee,ma la Fusione, a causa della durata e dell’ampiezzadelle ricerche necessarie, lo richiedeindubbiamente. Il Programma Fusione dell’U.E.ha come obiettivo finale la costruzionein comune di un reattore a fusione prototipo;il Programma integra, da decadi, tutte le ricerchesulla fusione magnetica intraprese neiPaesi Membri (e in Svizzera).La collaborazione internazionale è semprestata molto attiva tra i maggiori ProgrammiFusione del mondo: culmina con l’accordo incorso tra i 4 grandi partner (E.U., Giappone,Russia, U.S.A.) per il disegno ingegneristicodi ITER (International Thermonuclear ExperimentalReactor).Lo sforzo europeo globale sulla fusione magneticaè dell’ordine di 450 MioEuro 1 all’anno,ed è finanziato per circa il 45% da fondi comunitari;corrisponde a circa 0,5% della bollettaelettrica del’U.E. Il Giappone spende circa lostesso, e gli Stati Uniti circa la metà. È difficiledare una cifra per la Russia, che continua adavere un programma fusione importante con fisicieccellenti ma mezzi sperimentali limitati.2. – La fusione: concetti di baseQuando nuclei leggeri si urtano con una velocitàrelativa abbastanza alta per superarela repulsione elettrica tra le loro cariche elettriche,possono «fusionare» per formare nucleipiù pesanti; queste reazioni nucleari sonogeneralmente fortemente esotermiche. Per laproduzione di energia da parte dell’uomo, lareazione più accessibile è quella deuterio-trizio,che libera un’energia di 17,6 MeV(1 MeV41,6n10 213 Joule) sotto forma dienergia cinetica dei prodotti della reazione(una particella a ed un neutrone, con rispettivamente20% e 80% dell’energia totale).1Milioni di euro.55

IL NUOVO SAGGIATOREIl deuterio può essere facilmente estrattodall’acqua: 1 m³ ne contiene 30 grammi. Il triziopraticamente non esiste naturalmente sullaterra, perché decade con una vita media di solo12,3 anni; ma lo si può produrre nei reattori afissione (in particolare i reattori CANDU adacqua pesante del Canada), o nei futuri reattoria fusione facendo interagire i neutroni con unmantello contenente litio, avvolto attorno allacamera di reazione (il litio è abbondante nellacrosta terrestre). In un reattore a fusione, dunque,né i combustibili primari (deuterio e litio),né le ceneri (elio) saranno radioattivi, ma lastruttura del reattore diventerà radioattivasotto l’influenza dei neutroni e del trizio presentinel cuore. In conseguenza, un reattore afusione D-T dovrà soddisfare alla regole di sicurezzadi un’installazione nucleare.Nel cuore del reattore, la temperatura dellamiscela D-T sarà superiore a 10 8 7C, cioè moltoal di sopra della temperatura alla quale il gas ècompletamente ionizzato e diventa un insiemedi particelle cariche libere chiamato «plasma».Per raggiungere e mantenere tali temperature,occorre disporre di riscaldamenti potenti e diuna eccellente isolazione termica. Dato che leparticelle cariche non possono muoversi liberamenteperpendicolarmente a un campo magnetico,un plasma può essere confinato da campimagnetici di opportuna topologia. Sulla base diun tale metodo di confinamento, si può concepiredi bruciare il combustibile di fusione in modostazionario: è la fusione a confinamento magnetico(MCF, magnetic confinement fusion). Perchéil reattore produca più energia di quantane consuma, nel plasma di deuterio-trizio i valoridella temperatura T, della densità n e deltempo di confinamento t (tempo di raffreddamentodel plasma dopo la soppressione del riscaldamento)devono essere tali che il loro triploprodotto sia superiore a 5n10 21 keVm 23 s.Valori tipici dei parametri singoli sono:– temperatura ionica T i 410–20 keV(10 8 –2n10 8 7C),– densità ionica n C 10 20 nuclei perm 3 (A 10 23 g/m 3 ),– tempo di confinamentot E 4alcuni secondi.dell’energiaL’alternativa principale al MCF è l’ICF (inertialconfinement fusion), nella quale intensi fascidi luce laser o di particelle focalizzati su piccolissimibersagli combustibili producono dellemicro-esplosioni termonucleari. Questa tecnolo-56Fig. 1. – Principio di un reattore a fusione.

U. FINZI E C. MAISONNIER: IL PROGRAMMA EUROPEO SULLA FUSIONE TERMONUCLEARE ECC.gia ha applicazioni nella simulazione delle arminucleari e, per questa ragione, il ProgrammaFusione Europeo mantiene in questo campo soltantouna attività di veglia tecnologica.3. – Principio del reattoreUn reattore MCF a deuterio-trizio (fig. 1)sarà composto di–– un cuore di plasma caldo confinato dacampi magnetici prodotti da bobine superconduttrici;le particelle a prodotte rimangonoconfinate dal campo magnetico e mantengonola temperatura del plasma attraverso collisionitra particelle; i neutroni sfuggono;–– un mantello contenente litio nel quale ineutroni vengono rallentati; la loro energiacinetica è trasformata in calore, e reazionineutrone-litio rigenerano più trizio di quantoviene consumato nel cuore; uno scambiatoredi calore trasmette la potenza termica dalmantello alle turbine;–– una camera da vuoto ed una strutturameccanica;–– sistemi di manutenzione robotizzata,poiché ogni intervento all’interno dello scudobiologico richiederà telemanipolazione;–– sistemi ausiliari quali un impianto di riprocessamentodel trizio, un impianto criogenico,dei sistemi di pompaggio, di riscaldamentoe di controllo del plasma;–– un sistema convenzionale di conversionedel calore in elettricità.Tra le varie configurazione magnetiche studiate,il cosiddetto «Tokamak» è emerso comequella che oggi si avvicina di più al raggiungimentodi condizione reattoristiche. Nelprogramma europeo si studiano altresì duealtre configurazioni toroidali: lo Stellaratored il Reversed Field Pinch.4. – Perché la fusione?La disponibilità dei combustibili primarinon pone problemi: sono abbondanti, poco costosi,e largamente distribuiti. Si può dunquepensare ad un uso estensivo dell’energia difusione per tempi molto lunghi.La fusione dispone di un forte potenziale intermini ambientali e di sicurezza: i combustibiliprimari, come le ceneri, non sono radioattivi;non c’è possibilità di run-away del reattore(niente reazione a catena); il reattorecontiene pochissimo combustibile (soltantoper alcuni secondi d’uso); la struttura, costituitada materiali a bassa attivazione, nonpuò fondere in seguito a nessun tipo di incidente;i residui radioattivi (struttura meccanicaattivata dai neutroni) sono quantitativamenteparagonabili a quelli di un reattore difissione equivalente, ma qualitativamentemolto più innocui, cosicché i residui della fusionenon costituirebbero un onere pesanteper le generazioni future; non c’è nessun contributoall’effetto serra derivante dall’operazionedi un reattore a fusione e dunque nessunimpatto sul clima globale.Non vi sarebbero praticamente rischi diproliferazione, in quando qualsiasi tentativodi breeding di materia fissile sarebbe facilmenteidentificabile.I progressi nella fisica sono tali che esisteattualmente una solida base per la costruzionedi un reattore sperimentale (vedi capitoloseguente). Tuttavia per arrivare ad un reattorecommerciale sono necessari sviluppi sostanzialiin diversi campi della tecnologia:materiali a bassa attivazione e resistenti aineutroni; mantelli tritigeni con basso inventariodi trizio; grandi bobine superconduttrici;telemanipolazione in geometria toroidale;etc. Il reattore commerciale non è per domani(in operazione forse tra 50 anni), sarà probabilmenteuna grossa unità (dell’ordine di 1GW elettrico), e la sua economicità è attualmentedifficile da stimare con esattezza.5. – Progresso nella fusioneÈ già stato detto nel secondo paragrafo chela «figura di merito» più comunemente usataper qualificare un esperimento sulla via delreattore è il «triplo prodotto» della temperaturaper la densità e per il tempo di confinamento.La fig. 2 mostra, su un diagramma deltriplo prodotto in funzione della temperatura,il progresso ottenuto sui Tokamaks in trent’anni:un miglioramento di circa mille nel triploprodotto nTt, e di circa cento nella temperatura.Si sono già raggiunte le temperaturereattoristiche, ma manca ancora un fattoredi circa 6 sul triplo prodotto. In termini dinTt, i migliori risultati sono attualmente ottenutiin modo comparabile dalle due piùgrandi macchine in funzione, JET nell’U.E. e57

IL NUOVO SAGGIATORE–– contribuiscono alla costituzione di unavasta base dati sul confinamento toroidale, abeneficio anche dei Tokamak stessi.58Fig. 2. – Progresso in fusione (le sigle JET, TFTR,T10, etc... rappresentano i dispositivi sperimentali; Qè il rapporto tra potenza di fusione prodotta e potenzadi riscaldamento esterno).JT-60U in Giappone, quando lavorano in deuterio;ma solo JET è stato costruito per poteroperare con deuterio-trizio; esso ha già prodottouna potenza di fusione di 16 megawattper una durata di 2 secondi.Le macchine attuali hanno dei parametritroppo limitati per entrare nel regime reattoristico.È necessario adesso costruire un dispositivodi maggiore mole (quale ITER) perpotere dimostrare sperimentalmente la fattibilitàscientifica della fusione termonucleare.E attualmente disponiamo di una solida baseper intraprendere tale costruzione.Le linee alternative al Tokamak hanno evidentementedelle prestazioni al momento inferioridi ordini di grandezza, ma vengonostudiate per due ragioni:–– presentano certi vantaggi concettuali;per esempio lo Stellarator, del quale la configurazionemagnetica è essenzialmente prodottada bobine esterne al plasma e dunquenon richiede una corrente toroidale nel plasmacome il Tokamak, condurrebbe molto piùnaturalmente di quest’ultimo ad un reattorestazionario;6. – Organizzazione del Programma Europeo.Il Programma Fusione Europeo è condottodalla Commissione Europea, in forte interazionecon i partecipanti nei paesi membri (ela Svizzera), in particolare grazie ai pareriemessi dal Comitato Consultativo per il ProgrammaFusione (CCPF).Il programma (2000 scienziati ed ingegnericirca) viene messo in opera soprattutto attraversoaccordi di lunga durata: contratti diAssociazione; l’impresa comune JET (JointEuropean Torus); l’accordo NET (Next EuropeanTorus), che copre anche la partecipazioneEuropea ad ITER; l’accordo sulla mobilitàdel personale. Ci sono pure contratti didurata limitata, coll’industria o nei Paesi chenon hanno un contratto di Associazione.a) Associazioni. Le istituzioni nazionali chepossiedono maggiori laboratori di fusione (comel’ENEA in Italia) sono legate alla CommissioneEuropea con un contratto di Associazione:la Commissione co-finanza e co-dirigele attività dell’Associazione e mette a disposizionepersonale. Esistono 16 Associazioni,una per paese membro (e Svizzera) coll’eccezionedella Germania (che ne ha 3), delLussemburgo (che partecipa attraverso unsottocontratto dell’Associazione belga) e dellaGrecia.Ogni Associazione coordina tutte le attivitàdi fusione magnetica nel suo paese; per esempioin Italia, le attività di fusione del CNR (aPadova e a Milano) come quelle di varie Universitàsono integrate nelle attività dell’AssociazioneEuratom-ENEA. L’U.E. paga circail 25% delle spese globali delle Associazioni,coll’eccezione dei grossi investimenti (nuovemacchine, miglioramenti importanti, grossiimpianti tecnologici,) che ricevono un supportopreferenziale del 45% se hanno ricevuto lo«statuto prioritario» da parte del CCPF.Questo statuto prioritario viene attribuitosulla base di un esame approfondito (condottoda esperti di altre Associazioni) che analizzaquanto l’investimento proposto s’inseriscanella strategia globale europea e sia compatibilecon i limiti finanziari. La regola del sup-

U. FINZI E C. MAISONNIER: IL PROGRAMMA EUROPEO SULLA FUSIONE TERMONUCLEARE ECC.2Miliardi di euro.Fig. 3. – Estrapolazione del Tokamak Europei esistentia ITER (dimensioni del Plasma).porto preferenziale si è dimostrata determinantenell’unificazione della strategia dellafusione europea: dalla data della sua introduzione(1971), non si è costruita nessuna macchinasenza questo supporto.Le Associazione hanno costruito ed utilizzano:–– una decina di Tokamak (costo di costruzionedi ciascuno compreso tra circa 10 e 100MioEuro), ciascuno specializzato, in modo dicoprire l’insieme dei problemi sulla via delreattore;–– 2 Stellarators, più uno grande (circa 200MioEuro) in costruzione;–– 2 Reversed Field Pinches.Lo sforzo globale delle Associazioni si dividecirca in 70% per la fisica e 30% per la tecnologia.Esse contribuiscono, in personale edin apparecchiature, a JET e a NET-ITER, ehanno forti legami tra di loro (per esempio ilTokamak Textor di Jülich è sfruttato dal raggruppamentoEuregio formato dalle Associazionibelga e olandese e da una delle Associazionitedesche).b) JET. Il Joint European Torus è un’«ImpresaComune» nel senso del trattato Euratom.Fu fondato nel 1978 per costruire (aCulham, vicino a Oxford) e sfruttare a scalaeuropea il più grande Tokamak del mondo(quasi 1 BioEuro 2 d’investimento totale). Ilprimo plasma fu prodotto nel 1983, la primaoperazione in DT fu nel 1991, ed è previstoche l’Impresa Comune termini alla fine del1999, avendo raggiunto con successo tutti gliobiettivi fissati all’inizio. In particolare, insiemea Tokamak più piccoli ma simili nelle Associazioni(fig. 3), JET ha permesso di formulareleggi di scala affidabili sulle quali fondareil progetto di ITER.JET è legato agli altri grandi Tokamakmondiali (JT-60U in Giappone e, fino alla suachiusura nel 1997, TFTR negli Stati Uniti)attraverso un Accordo dell’Agenzia Internazionaledell’Energia. Dopo la chiusura dell’ImpresaComune, è molto probabile che lamacchina JET continui ad essere sfruttata insupporto di ITER durante qualche anno in unaltro quadro.c) NET. L’accordo NET (Next EuropeanTorus), operativo dal 1983, permette di coordinaregli sforzi europei sul disegno, e la ricerca(nei laboratori associati e nell’industria)in supporto del Next Step. Questi sforzisono adesso essenzialmente focalizzati sulcontributo europeo a ITER (vedi prossimoparagrafo). Il gruppo NET (A 25 fisici e ingegneri)è localizzato a Garching (vicino aMonaco di Baviera).d) Mobilità del personale. L’accordo di mobilitàpermette di promuovere e finanziare la mobilitàdei ricercatori tra i diversi laboratori europei.Esso rappresenta uno degli strumentichiave per la coesione del Programma Fusione:ogni anno, più di 400 ricercatori (su un complementototale di circa 2000) sono distaccati peroltre 1 mese fuori del loro laboratorio di origine.Un programma di tirocinio permette a circa20 borsisti (la metà dei quali hanno già conseguitola laurea o il dottorato) di formarsi perun periodo dell’ordine di 2 anni in un laboratoriofusione europeo fuori del loro paese.Nota bene: l’organizzazione descritta è quellain opera fino al dicembre 1998. Dal Gennaio1999 (inizio del Quinto Programma Quadro diRicerca), la ricerca finanziata a livello comunitariosi sta ristrutturando: tutte le attività diricerca vengono raggruppate in 4 grandi programmi;la Fusione fa parte del programma«Energia, ambiente e sviluppo sostenibile»;uno degli autori (U.F.), che era Direttore delProgramma Fusione fino al 1998, è stato nominatoDirettore-Coordinatore del Programma«Energia, ambiente e sviluppo sostenibile».59

IL NUOVO SAGGIATORE7. – ITERL’obiettivo programmatico globale di ITERè di dimostrare la fattibilità scientifica e tecnologicadella fusione, nonché il suo potenziale daipunti di vista sicurezza ed ambiente.Il progetto di ITER è stato finora condottoda 4 partner, i quattro grandi programmi fusionemondiali (U.E., Giappone, Russia, Stati Uniti),su una base di uguaglianza rispetto a statuto,contributi, e benifici. Nell’ambito di accordiinternazionali formali sotto l’egida dell’AgenziaInternazionale dell’Energia Atomica, si sonosvolte successivamente una fase di disegno concettuale(1988-1990) ed una fase di disegno ingegneristico(Luglio ’92 Luglio ’98; EDA: EngineeringDesign Activities) del primo reattoresperimentale di fusione. Conformemente all’accordoper le EDA, i quattro partner hanno spesoin totale circa 10 9 dollari (valore 1989), deiquali 25% per il disegno stesso eseguito da ungruppo centrale di 150-200 professionisti aiutatida Home Teams, e 75% per gli sviluppitecnologici in supporto del disegno (7 grossiprogetti di R&D coprono le tecnologie chiave:bobine superconduttrici, tele-manipolazione,camera da vuoto, divertore, mantello tritigeno).È stato prodotto un rapporto finale suldisegno che i partner possono usare per unaeventuale costruzione in cooperazione, oppureda parte di un gruppo ridotto di partecipanti.Il rapporto finale è stato approvato dalConsiglio ITER nel giugno 1998, ed è statogiudicato tecnicamente adeguato per sostenereuna proposta di costruzione. Le caratteristicheessenziali della macchina sono riportatenella tabella seguente.Tabella I.ITER-EDARaggio maggiore/minore8,1m/2,8mVolume del plasma A 2000 m 3Corrente toroidale nel plasma 21 MACampo toroidale5,7 TeslaPotenza di fusione1,5 GWRiscaldamento ausiliare100 MWDurata dell’impulso di fusione F1.000 s.Criostato35m335mConsumo di trizio2-3 kg/annoCosto6,5 miliardi EcuTempo di costruzione10 anniLa fig. 4 mostra una veduta di ITER all’internodel suo criostato.60Fig. 4. – Veduta di ITER.

U. FINZI E C. MAISONNIER: IL PROGRAMMA EUROPEO SULLA FUSIONE TERMONUCLEARE ECC.Quando si paragona il costo di costruzione(6.5 miliardi Ecu) alle spese annuali globalisulla fusione dei quattro partecipanti (A 1,2miliardi Ecu), si vede che la costruzione diITER-EDA richiederebbe una modifica drasticadei programmi esistenti ed una forte volontàpolitica concretizzata da un sostanzialeaumento dei finanziamenti.Dato che, dal tempo dell’inizio del disegno,parecchie condizioni al contorno sono cambiate(fine della guerra fredda, ribasso del costodei combustili fossili, crisi finanziaria in Giappone,crescente diffidenza verso l’energia nucleare,...) il Consiglio ITER ha chiesto al Direttoredi studiare opzioni di costo ridotto(A 50% del costo precedente), ovviamentecon obiettivi tecnici ridotti, ma che dovrebberoancora mirare alle finalità programmaticheglobali di ITER: dimostrare la fattibilitàscientifica e tecnica della fusione. Tali opzionidebbono fare il massimo uso possibile del disegnopresente e della R&D che lo supporta.Si è valutato che il disegno completo diun’opzione ridotta richiederà uno sforzo di 3anni. L’accordo ITER-EDA è dunque statoprorogato per 3 anni (da Luglio ’98 a Luglio2001) da 3 dei partner: U.E., Giappone, Russia.Gli Stati Uniti hanno firmato soltanto perun anno, essenzialmente per concludere laR&D in supporto di ITER-EDA.Da notare che il costo di Tokamak «simili»,che usano le stesse tecnologie e bruciano delD-T, varia grosso modo come il raggio maggioreelevato alla potenza 2,5. SiccomeITER-EDA ha un raggio maggiore di 8,1 m,un ITER a mezzo costo avrà un raggio dell’ordinedi 6,2 m. Questo conduce ad una riduzionedel confinamento del plasma, e, comeconseguenza, ad un aumento delle difficoltàdi raggiungere l’ignizione del plasma. Nondimeno,tenendo acceso il riscaldamento ausiliare,si potrà certamente mantenere la combustionedel plasma a livelli di potenza(A 500 MW) sufficienti per dimostrare la fattibilitàdella fusione.8. – Attività a lungo termine.Per ottimizzare i vantaggi potenziali dellafusione, in particolare nel campo ambientalee della sicurezza, è necessario svilupparemateriali a bassa attivazione e sufficientementeresistenti ai neutroni di 14 MeV prodottidalle reazioni D-T. Importanti sviluppisono pure richiesti per realizzare mantellitritigeni capaci di lavorare ad alta temperatura,di assicurare un breeding ratio superioread uno, e con un inventario limitato ditrizio sul sito del reattore (alcuni kg). Il programmafusione europeo conduce da anni notevoliattività di R&D su questi problemi,collaborando con gli altri grandi programmimondiali attraverso Implementing Agreementsnel quadro dell’Agenzia Internazionaledell’Energia.Studi socio-economici, sulla sicurezza, esull’impatto ambientale sono altresì sviluppatinell’ambito di apposite reti integrate europee.9. – Ruolo dell’industria.L’industria europea ha costruito più del95% (in investimenti) di JET e delle macchinenelle Associazioni. Questo rappresenta, dal1978, circa 900 MioEcu di contratti di altatecnologia, attribuiti attraverso un sistema diappalti europei, che garantisce un buon equilibriosenza ricorrere ad una clausola di «giustoritorno».Un consorzio industriale, l’EFET, contribuisce,insieme con i laboratori, alle attivitàdi disegno di ITER affidate all’Europa.In ciascuna di 15 tecnologie specifiche dellafusione, diverse ditte sono state preselezionatecon successo per condurre R&D e fornireprototipi per ITER.Insieme con i laboratori ed il gruppoNET, un raggruppamento industriale hacondotto un esame approfondito della fusionedal punto di vista sicurezza ed impattoambientale.Un comitato Fusione-Industria consiglia laCommissione.10. – Gli altri grandi programmi fusione–– Giappone. Il Giappone, imbarcatosi relativamentetardi (negli anni settanta) nellosviluppo della fusione, ha raggiunto un livelloparagonabile a quello europeo. Dispone di ungrande Tokamak, JT-60U, della classe diJET (senza però la possibilità di operare contrizio), ha recentemente messo in funzione ilpiù grande Stellarator del mondo, ha varie61

IL NUOVO SAGGIATORE62macchine più piccole in diversi campi, compiesforzi notevoli in tecnologia (superconduttori,telemanipolazione, materiali, mantelli tritigeni,...) ed è l’unico paese ad avere un notevoleprogramma di fusione inerziale puramente civile.I grandi gruppi industriali giapponesi(Hitachi, Mitsubishi, Toshiba, ...) giocano unruolo chiave. Esiste un forte supporto politicoper la fusione in generale e per ITER inparticolare. Anche se, come conseguenza dellapresente crisi finanziaria, il Primo Ministrogiapponese ha bloccato per 3 anni (finoall’inizio del 2001) il lancio di qualunquegrande dispositivo di ricerca, le intenzioni disvolgere un ruolo di primo piano nei futurisviluppi sono esplicite, come testimoniatodall’ultimo rapporto (Dicembre ’98) dellaCommissione per l’Energia Atomica giapponese:«The Commission reaffirms that fusionresearch and development should be steadilypromoted by consolidated domestic andworld-wide wisdom towards utilization of fusionenergy, standing on a long-range viewpoint.To this end, it is important for Japanto continue promoting seriously the ITERProject as a leading partner, and the Commissionalso requests the people concerned todevote further more efforts upon the aboveunderstanding.»–– Federazione Russa. Il programma russoè vasto ma povero, con parecchi ricercatoridi alto livello e un numero notevole di macchine,il funzionamento delle quali tuttavia incontraqualche difficoltà. La teoria rimane unpunto storicamente forte, i tokamak (un invenzionerussa) sono al centro del programma,le linee alternative (Stellarator, specchimagnetici, fusione inerziale, ...) sono numerose,ci sono singolari campi di eccellenza intecnologia (ad esempio i girotroni 3 ), e il supportopolitico a ITER è incondizionato. Altripaesi dell’ex Unione Sovietica (Ucraina, Kazakhstan,...) sono pure attivi sulla fusione. Èda notare che la Russia, nonostante le difficoltàeconomiche, è riuscita a contribuire sostanzialmentea ITER-EDA: il numero dirussi nel gruppo di lavoro congiunto (JCT)non era molto inferiore alla quota teorica del25%, malgrado la localizzazione del JCT in3Generatori di onde millimetriche di alta potenza(1 MW), sviluppati a fini stategici e molto adatti al riscaldamentodel plasma.paesi a moneta forte (Stati Uniti, Germania eGiappone).–– Stati Uniti. Il finanziamento della fusionemagnetica è andato decrescendo durantegli ultimi anni; questo è contemporaneo adun notevole aumento sulla fusione inerziale,probabilmente correlato alle implicazioni militaridi ques’ultima, in particolare in seguitoall’abbandono dei test diretti delle armi.Per motivi essenzialmente finanziari, ilprogramma di fusione magnetica ha dovutoabbandonare il suo obiettivo principale cheera, come negli altri paesi, il reattore (e lasua prima incarnazione ITER), per focalizzarsisu Fusion Energy Sciences. Esso mirapertanto a diventare un programma di ricercafondamentale con lo scopo di allargare labase scientifica di un’eventuale futura opzioneenergetica a lungo termine. Si studiano essenzialmentei meccanismi di confinamentodel plasma, usando le macchine rimaste infunzione (il grande Tokamak, TFTR, dellaclasse di JET, è stato chiuso), e si esploranodirezioni nuove verso sistemi potenzialmentepromettenti per l’economicità di futuri reattori.I precedenti piani temporalmente definitiper lo sviluppo dell’energia di fusione sonostati abbandonati, ma gli Stati Uniti cercanodi moltiplicare i contatti internazionali perseguire gli sforzi degli altri.–– Altri paesi. Una ventina di altri paesiconducono ricerche di ampiezza più o menolimitata nel campo della fusione; tra questi,Cina, Canada, India e Corea del Sud hanno iprogrammi più cospicui. Il Canada partecipaa ITER attraverso l’Unione Europea.11. – Il futuro–– ITER. Si stanno facendo ora grossisforzi per disegnare opzioni di ITER di costoridotto al massimo, basate il più possibile sullecapacità tecnologiche e sui progressi scientificiconseguiti durante l’EDA. Una importanteevoluzione scientifica si è prodotta nelcorso del 1998: è stata affermata e riconosciutala possibilità di dimostrare la fattibilitàtecnologica della fusione limitandosi a unasorta di «ignizione assitita», ove il riscaldamentoaddizionale viene mantenuto in funzionecontinuamente, con una potenza dell’ordinedel 20% della potenza fornita dalle particellealfa di fusione. Tale concetto consente

U. FINZI E C. MAISONNIER: IL PROGRAMMA EUROPEO SULLA FUSIONE TERMONUCLEARE ECC.delle economie nelle spese di investimentoche potrebbero raggiungere e forse superareil 50%. È probabile che, al prossimo ConsiglioITER (marzo ’99), siano presentati disegni dimassima di macchine molto promettenti sullastrada verso la fusione, del costo compresotra 2.5 e 3.5 BioEuro (1 Euro, dal 1.1.99, èuguale al precedente ECU). Il disegno dettagliatodovrebbe essere finalizzato alla metàdel 2001.Tre paesi, il Canada, l’Italia (per l’UnioneEuropea), ed il Giappone hanno fatto sapereinformalmente, ma a livello ministeriale, chepotrebbero essere interessati a fornire un sitoper la costruzione di ITER. Per l’Italia, unpunto fondamentale sarà la disponibilità omeno di fondi strutturali comunitari, puntoche si dovrebbe abbordare nell’ambito dellediscussioni globali in corso («Agenda 2000»)sul bilancio futuro e sull’allargamento dell’U.E.Esplorazioni preliminari sulle grandi questioniche riguardano un’eventuale costruzione(scelta del paese ospite, ripartizione deicosti tra ospite e altri partner,) sono state recentementeiniziate informalmente dal Giappone,che potrebbe dimostrare un’attivitàcrescente man mano che si avvicina la finedella moratoria sulle grandi imprese di ricerca(inizio 2001). Se, e quando, una decisionedi costruzione si concretizzasse tra U.E.,Giappone, Russia (e eventualmente Canada),è possibile che gli Stati Uniti riconsiderino laloro posizione e chiedano di participare. Gliesperti americani della fusione hanno infattiassunto negli ultimi mesi un atteggiamentogeneralmente favorevole alla versione diITER a costo e obiettivi ridotti.–– Il programma europeo. Il Consiglio deiMinistri dell’Unione Europea ha adottato il22 dicembre 1998 un Programma Quadro peril periodo 1999- 2002, nell’ambito del quale leattività di R&D sulla fusione costituisconouna «azione chiave», con uno stanziamento di788 milioni di euro (circa 1600 miliardi di lire).Il programma specifico corrispondente,adottato contemporaneamente dal Consiglio,prevede il completamento delle attività preparatoriealla costruzione del Next Step, dipreferenza nel quadro internazionale ITER.Tale programma comprende inoltre la continuazionedello sfruttamento del JET, finalizzatoall’ottenimento di dati rilevanti per ilfunzionamento di ITER. È previsto altresìl’ulteriore funzionamento degli altri tokamakesistenti nei laboratori associati, il proseguimentodella costruzione dello StellaratorWendelstein 7X, l’operazione ulteriore delloStellarator di Madrid, del Reversed FieldPinch di Padova e di altre macchine minori.Una importante ristrutturazione del programmaè stata intrapresa nel frattempo, conl’istituzione dell’accordo EFDA (EuropeanFusion Development Agreement): un nuovostrumento giuridico che lega tra loro e con laCommissione tutti i laboratori europei attivinel campo della fusione. Tale accordo costituiràin futuro la base per l’ulteriore utilizzazionedel JET, per la partecipazione europeaall’eventuale costruzione e utilizzazione diITER e per il coordinamento a livello europeodelle tecnologie per la fusione, compresigli sviluppi a lungo termine.In conclusione l’Europa si è dotata deimezzi finanziari e giuridici per proseguirenello sviluppo scientifico e tecnologico dellafusione, mantenendosi in una posizione di primalinea a livello mondiale. La continuazionedi tale sforzo coordinato è necessaria per tenereaperta questa importante opzione energeticache potrebbe rivelarsi essenziale perconsentire a lungo termine uno sviluppo globalesostenibile.Gli autori ringraziano il Prof. H. Bruhns edil Dott. E. Canobbio per il loro aiuto.Umberto Finzi, laureato in Fisica all’Università di Milanonel 1965 ed ivi, Assistente di Fisica Sperimentale,(1965-1966). Docteur d’Etat ès Sciences, all’Universitàdi Parigi VII, nel 1973 è stato funzionario scientifico,distaccato dalla Commissione Europea presso l’AssociazioneEuratom-CEA di Grenoble (1972-1974), occupandosidi ricerche nel campo della fisica sperimentalee teorica dei plasmi, in particolare programmi di modellizzazionenumerica.Assistente del Direttore del Programma Fusione allaCommissione Europea (1974-1984), contribuendo allaconcezione e messa in opera della politica di ricerca esviluppo sulla fusione, e Consigliere del Direttore Generaledella Direzione Generale XII «Scienza, Ricercae Sviluppo» (1984-1995). Partecipando alla concezionee messa in opera della politica di ricerca e sviluppo63

IL NUOVO SAGGIATOREdella Comunità Europea, particolarmente nell’ambitodella fisica e della ricerca energetica.È stato Direttore del Programma Fusione (1996-1998)ed è dal 1999, Direttore Coordinatore del Programma«Ambiente, Energia e Sviluppo sostenibile».Charles Maisonnier, nato nel 1931, Ingegnere Civiledelle Telecomunicazioni (Parigi), Ingegnere dell’EcoleCentrale Lyonnaise, Docteur-és-Sciences (Lione), vincitoredel premio J. Thibaud (1968), è Dottore HonorisCausa dell’Università di Lisbona.Specialista della Fusione Termonucleare, ha lavoratosuccessivamente all’Università di Lione, all’Universitàdi California, al Brookhaven National Laboratory, alCommissariat à l’Energie Atomique (Saclay), alCERN (Ginevra) e all’Associazione Euratom-ENEA(Frascati) dove è stato Direttore di Laboratorio fino al1980. Chiamato a Bruxelles, è stato dal 1986 al 1996Direttore del Programma Fusione dell’Unione Europea,vice-presidente del Consiglio JET, e membro delConsiglio ITER fino al 1998.ULTIMI VOLUMI USCITI NELLA COLLANA RENDICONTI DELLA SCUOLAINTERNAZIONALE DI FISICA «ENRICO FERMI»CORSO CXXXIXMAGNETIC RESONANCE AND BRAIN FUNCTION: APPROACHES FROM PHYSICSEdited by B. MaravigliaPag. 578, Dfl. 290.00Prezzo scontato per i Soci L. 179.00064CORSO CXLBOSE-EINSTEIN CONDENSATION IN ATOMIC GASESEdited by M. Inguscio, S. Stringari and C.E. WiemanPag. 638, Dfl. 320.00Prezzo scontato per i Soci L. 197.000CORSO CXLISILICON-BASED MICROPHOTONICS: FROM BASICS TO APPLICATIONSEdited by O. Bisi, S.U. Campisano, L. Pavesi and F. PrioloPag. 466, Dfl. 290.00Prezzo scontato per i Soci L. 179.000Questi volumi possono essere ordinati dai SOCI direttamente alla:Redazione del Nuovo CimentoVia Castiglione, 10140136 BolognaTel. 051-581569, Fax 051-581340e-mail cimentoIsif.it

RECENSIONIS. D. Mahanti and P. Jena(Editors):Local Order in CondensedMatter PhysicsNova Science Publishers,Inc., New York; 1995;p. XII+264Molte proprietà elettroniche osservatein certi stati della materia condensata,quali i cluster, i solidi con ordinea raggio piú o meno breve, i metalliliquidi e amorfi, eccetera, sonogovernate dalla distribuzione degliatomi nell’intorno del sito esploratoda sonde spettroscopiche localizzate.Tra queste vi sono le tecniche sensibiliall’interazione iperfina, quali la risonanzamagnetica nucleare, la risonanzadi spin elettronico, la spettroscopiaMössbauer, la correlazione angolareperturbata, la rotazione di spindei muoni e l’interazione con fasci ionici.Questi esperimenti misurano quantitàin posizioni precise dello spazio e diconseguenza forniscono un test criticodelle funzioni d’onda elettroniche calcolate,dei modelli strutturali e anche delladinamica a bassa frequenza. Lo sviluppodi nuovi metodi computazionalibasati su calcolatori veloci consenteora un confronto diretto tra i risultatiteorici e i dati locali ottenuti con letecniche suddette. In questo camposono stati fatti progressi fondamentalinell’ultimo decennio.Questo libro raccoglie gli atti diuna conferenza internazionale (conforti componenti USA/India) tenutasia Jekyll Island in Georgia nel 1993per festeggiare i sessant’anni di TaraPrasas Das. Nonostante il carattereoccasionale, i curatori sono riusciti araggruppare un insieme significativoe abbastanza organico di buoni autoriin modo da coprire gli studi fatti su 1)molecole e cluster, 2) difetti puntualie complessi nei solidi, 3) idrogeno emuoni positivi in metalli e semiconduttori,4) solidi disordinati e metalliliquidi, 5) diffusione e clustering divolume, superficie e in altre geometrieconfinate, 6) superconduttori adalta T c e materiali da assemblaggio difullereni. Gli specialisti di spettroscopielocali ed effetti iperfini troverannosicuramente numerosi contributiutili in questo volume.D. J. WhitehouseGiorgio BenedekHandbook of Surface MetrologyIOP Publishing Ltd, Bristoland Philadelphia1994;p. XXVI+988; L. 225.000Agli albori dello sviluppo dellemacchine a vapore, James Watt era ingrado di promettere ai suoi clienti cheil miglioramento introdotto da Wilkinsonnella tecnica di tornire cilindriera tale che «un cilindro da 72 pollicisi avvicinerebbe al vero assoluto, nellasua parte peggiore, più dello spessoredi una sottile moneta da sei pennies».Non so quanto sottile fosse unamoneta da sei pennies, ma certamenteoggi si pretende molto di più da uncilindro d’automobile. Gli standard diproduzione sono cresciuti di pari passocon la capacità di misurare e caratterizzarele superfici su scale semprepiù piccole, fino a quella atomica. Ilcampo coperto da questo monumentalemanuale (ca. 1000 pagine) è, comefa notare il professor D. Dowson nellasua prefazione, enorme, riguardandoil volume non solo la caratterizzazionedelle superfici, ma anche il processingdei dati, la strumentazione e gli errori,e la determinazione degli standard.Il manuale si rivolge principalmenteagli ingegneri. Tuttavia molte delleproprietà macro- e mesoscopiche dellesuperfici sono oggi riconducibili, attraversoconcetti e tecniche «multiscala»,alla dimensione atomica, ricevendoquindi una spiegazione dallameccanica quantistica, da principi primi,pertanto, e non soltanto fenomenologica.D’altra parte una delle tendenzepiù avanzate della modernascienza dei materiali è quella di realizzaresperimentalmente delle proprietàmacroscopiche di valore applicativopartendo dall’assemblaggio dielementi sulla scala nanometrica o addiritturaatomica (materiali nanostrutturati)le cui proprietá sono notee controllabili su basi quantistiche.Pertanto anche i fisici delle superfici,così come i materialisti avanzati, possonotrovare utile consultare questomanuale quando vogliono trovare unnesso tra le proprietà sulla scala atomica,oggetto del loro studio, e lequantità di rilevanza tecnologica misurabilia livello macroscopico.Giorgio BenedekG. S. Anagnostatos andW. von Oertzen (Editors):Atomic and Nuclear ClustersSpringer-Verlag, Berlin,Heidelberg, New York, 1995;p. XXVI+317; DM 150.00Quando nel 1987 Pat Martin ed ioorganizzammo a Erice una scuolaestiva intitolata Elemental and MolecularClusters notammo con sorpresache tra i partecipanti vi erano alcunifisici nucleari. In quell’occasione appresimolte cose sull’analogia teoricatra i cluster metallici e i nuclei. Ancheper cluster vi sono modelli a shell, nu-65

IL NUOVO SAGGIATORE66meri magici, eccitazioni collettive, bosoni,fermioni e loro interazioni, frammentazionie fissioni, eccetera, e la rilevantedifferenza rispetto ai nuclei di potereessere illimitatamente grandi. Certi fenomenicome le supershell, ampiamentestudiati da Ben Mottelson, possono essereanalizzati molto meglio nei cluster.Da allora abbiamo assistito a un rapidoavvicinamento tra i clusteristi e i fisiciteorici del nucleo, con molte iniziativecongiunte, non ultima il laboratorio dicluster presso l’Università di Milano organizzatoda Ricardo Broglia, illustreteorico nucleare, e dallo scrivente. Il libroin questione contiene gli atti dellaseconda conferenza internazionale sucluster atomici e nucleari, tenutasi aSantorini nel 1993, due anni dopo la primaconferenza del genere svoltasi adÅbo in Filandia. Ora Ricardo Broglia,Pat Martin e Ben Mottelson sono insiemenel comitato organizzatore e gli esitidella conferenza e dei proceedings sonodi straordinario interesse. Gli ottantacontributi ospitati nel volume sono organizzatisecondo una sistematica alternanzacluster atomici-cluster nucleari eportano gradualmente dalla strutturaalle eccitazioni collettive, ai processi difissione e frammentazione, alla spettroscopia,ai possibili fenomeni di superconduttivitànei cluster. Considero questolibro e gli atti delle altre conferenzedella serie come contributi molto importantiallo sviluppo di un’area interdisciplinaretra le più fertili. Esse concorronoa far sì che l’enorme contributoculturale dato nei passati decenni dallosviluppo della teoria del nucleo non vengamesso in soffitta a causa dell’attualecrisi del nucleare, ma resti invece a disposizioneper altri settori della fisicacome quello dei cluster, oggi in rigogliosoprogresso.Giorgio BenedekM. S. Shur and R. A. Suris(Editors):Semiconduc-Compoundtors 1996IOP Publishing Ltd, Bristol& Philadelphia, 1997;p. XXXVI+1051; $ 300.00Segnalo a tutti coloro che sono impegnatinella ricerca fondamentale, applicatae industriale nel campo dei semiconduttorie dei dispositivi elettroniciquesti monumentali proceedings (più dimille pagine), nel caso si siano lasciatisfuggire l’edizione 1996 dell’InternationalSymposium on Compound Semiconductors,237 della serie, tenutosi aSan Pietroburgo dal 21 al 28 settembredel 1996. Questa serie di conferenze,forse la più importante del settore dopoquella generale sui semiconduttori,ha radici veramente storiche, essendoiniziata nel 1960 come InternationalSymposium on GaAs and RelatedCompounds. Inutile osservare che i relatedcompounds sono molto cresciutiin numero e importanza da quel tempo,da cui il cambiamento del nome. Oggi ilcampo dei semiconduttori composti ècosì vasto che non si può fare di più cheelencare le aree di ricerca rappresentatein questi atti. I tre plenary talks definisconobene queste aree: le eterostrutture(Zh. I. Alferov, dello Ioffe Institute),i nitruri per dispositivi optoelettronicinel verde-blu (H. Juergenssendella Aixtron) e, in generale, i semiconduttoria largo gap (M. S. Shur &M. A. Khan, del Rensselaer di Troy,NY). Questi ultimi hanno in realtà ristrettoil discorso al SiC e ancora ai nitruri,lasciando i II-VI fuori dal discorsointroduttivo. Questa mi è sembratauna scelta riduttiva da parte del programmecomittee e/o dei curatori, preoccupatiforse di coprire di più le areeche vanno direttamente alle applicazioniattuali e dell’immediato futuro.I capitoli successivi del libro riguardano:nanoelettronica e nanofotonica;epitassia e processi in situ; emettitorinel visibile; fotocellule e photodetectorsa eterostruttura; transitori a eterostruttura;circuiti optoelettronici integrati;dispositivi ad alta potenza e peralte temperature; modellizzazione e simulazione;effetti quantici; quantumdots e infine la grande sezione sulla caratterizzazione.Il lavoro di editing è stato accurato,visto il buon numero di articoli di autorirussi, e ne è risultato un volume digrande utilità per la ricerca nel settore.Giorgio BenedekJ. Donecker and I. Rechenberg(Editors):Defect Recognition andImage Processing in Semiconductors1997IOP Publishing Ltd., Bristol& Philadelphia, 1998;p. XX+524; £ 135.00Questo volume contiene gli atti dellasettima edizione dell’omonima conferenza,nota come DRIP VII e tenutasia Templin, Germania, nel settembre1997. Il riconoscimento dei difetti è unodei fondamentali requisiti per ogni ulterioreprogresso nella tecnologia deisemiconduttori. I cacciatori di difetti,dalla scala atomica alle inomogeneitàdei wafer, hanno preso dal 1985 in poil’ottima abitudine di riunirsi in unworkshop biennale e di produrre unaserie di proceedings che stanno contribuendonon solo alla soluzione di problemitradizionali connessi con i semiconduttoricorrentemente nelle linee diproduzione, come silicio, GaAs, etc., maanche alla promozione tecnologica dimateriali innovativi a largo gap comeGaN, SiC e altri.Gli argomenti più diffusamente trattatinella conferenza e nel volume riguardano:– il progresso nelle tecniche e nellastrumentazione per l’analisi dei difettie loro applicazione a substrati, film sottilie dispositivi;– i meriti e le limitazioni delle tecnichedi caratterizzazione e standardizzazione;– la correlazione tra difetti e performancedei dispositivi, compresa l’analisidel loro degrado e rottura;– adattamento e applicazione delletecniche standard di caratterizzazioneai nuovi materiali.L’enorme progresso dei metodi di microscopiaa tunnel e nanoscanning in generaleper la caratterizzazione di difettitrova adeguato riscontro nelle recentiedizioni della conferenza DRIP e particolarmentein quest’ultima. Largo spazio,inoltre, è destinato ad altre tecniche piùconsolidate che consentono la mappaturadei difetti sotto la superficie, sia pure conminore risoluzione del nanoscanning.Peraltro questo è un settore di ricercadove anche alcuni laboratori italiani hannodato e danno tuttora un importantecontributo con tecniche varie, fra le qualiemerge l’analisi delle correnti indotte daradiazione sviluppata all’Università diBologna dalla Prof. Cavallini, da annipresente nel comitato scientifico dellaDRIP. Il volume è molto ben organizzatoe di grande utilità per chiunque lavori nelvasto settore della tecnologia dei semiconduttori.Giorgio BenedekA. Barton:States of Matter - Statesof MindIOP Publishing, Bristoland Philadelphia 1997;p. XIII+384; L. 15.000Se c’è qualcuno che a scuola non hacapito la fisica o la chimica, e ha ancorala pretesa di capirle, bene: qui c’è

RECENSIONIun libro scritto apposta per lui. Necessariadomanda preliminare: credi negli atomi?E nei quarks? Se la risposta è affermativa,il fedele può accedere al libro,dove si spiega come i concetti e i modelliche abbiamo di atomi e di quark permettonodi capire le proprietà della materia,da quella di tutti i giorni a quella più esoticae remota. L’autore, con l’aiuto di divertentifigure disegnate da Andrew Slocombe,si industria di fornire al lettoreutili modi di pensare e vedere i materialie immaginare come sono fatti. A parte ilfine utilitario, il lettore ha libertà di crederese gli atomi e i quarks sono oggettireali o comode finzioni. Questo tema, leggeroo filosofico che lo si voglia considerare,interessa anche agli studenti diogni ordine e grado «per capire ciò che èloro insegnato», ai «science graduatesper apprezzare ciò che hanno imparato»,agli insegnati di scienza «per offrire unadiversa visuale di ciò che insegnano» eagli studiosi di altre aree «per aggiornarela loro conoscenza dei materiali». Levirgolette, che riassumono la presentazionedel libro, sono d’obbligo poiché untarget così vasto può prendersi difficilmentesul serio. In realtà il tono sceltodell’autore è quello dell’amena divulgazione,fondata su una solida e prestigiosacarriera di materialista, e sicuramentetutte le categorie di lettori sopra elencatepotranno trovare nel libro parecchispunti utili e divertenti. In ogni caso nonci sono equazioni, nel libro, né formulechimiche.Anche l’indice dei capitoli merita diessere elencato: Stati della materia, linguaggiodella materia, patterns nella materia,materia inusuale, materia termodinamica,materia interagente, materiafondamentale, materia atomica, materiachimica, materia molecolare, materia disordinata,materia mista, materia ordinata,materia d’interfaccia, materia soffice.Alla fine un breve poscritto intitolato«stato della mente», ove si afferma che«il numero dei possibili stati della materiaè limitato dalla nostra abilità di percepirli».In sostanza l’autore dice chemolte scoperte di nuovi materiali, di formeesotiche di aggregazione della materia,la stessa immagine che ci siamo gradualmenteformata della struttura dellestelle o dei nuclei, dipendono dalla progressivatrasformazione di astrazionimatematiche come funzioni d’onda, simmetrie,eccetera, in immagini mentalielementari corrispondenti agli atomi, aisuoi componenti, fino ai quarks e ai leptoni.E giocando con questi oggetti mentali,come si farebbe con un meccano eben definite regole d’uso, si costruiscononuovi sistemi che in natura non esistono.Così il numero di stati possibili della materiaè destinato a crescere esponenzialmentecon il numero delle immagini mentaliche il cervello elabora attraverso unprocesso di generazione continua dalleesperienze precedenti. Un argomento seducenteanche per chi si interessa di coseartistiche e mondane: per inciso AllanBarton dedica il suo libro a ben cinquesignore della sua vita.G. Caglioti:Giorgio BenedekCasanova e la scienza.Moretti & Vitali Editori,Bergamo, 1998;p. 120; L. 10.000Conversando con Peppino Caglioti sulsuo precedente libro «Eidos e Psiche:struttura della materia e dinamica dell’immagine»,gli chiesi quando e come avrebberacchiuso i due concetti in un triangolo assiemead Eros. Con un ragionamento sullerotture di simmetria Caglioti stabiliva unnesso tra l’evoluzione dei sistemi quantisticie i meccanismi percettivi, al punto dipensare che l’immagine che ci costruiamodel mondo quantistico è il riflesso dei nostriprocessi mentali. Quella rottura di simmetriache conferisce dinamica alle immaginie direzionalità al tempo come si correlaa quella teleologia interiore che spingeall’atto creativo, all’invenzione artistica, allaspeculazione scientifica, in una parolal’Eros? Ovviamente non intendevo il rapportomitologico tra Eros e Psiche, caro adApuleio e ai neoplatonici; mi chiedevo piuttostocome Eros si ponesse in rapporto all’Eidosplatonica: è la forza platonica chetende (idealmente) a ricomporre la simmetriaspezzata, oppure è la forza freudianache, sublimata, sollecita la creatività, recuperainformazione e distrugge localmentel’entropia?Peppino Caglioti, di fronte al fataletriangolo disegnato sulla lavagna, era alquantoperplesso. Ma con il bicentenariodella morte di Casanova Caglioti ritrovò inun cassetto un saggio inedito che avevascritto il celebre avventuriero anni prima,su sollecitazione dello scrittore e amicoPiero Chiara. Non conosco i particolaridel ritrovamento, ma credo sia stataun’autentica apparizione di Casanova (semai gli fosse stata concessa questa prerogativadei santi) sul sentiero che Cagliotista percorrendo da qualche annoverso la comprensione dei meccanismidella percezione estetica in termini dirotture di simmetria. Quasi la scoperta diun’affinità elettiva. Ne è venuto fuoriquesto delizioso libretto «Casanova e lascienza», stampato nel settembre delloscorso anno da Moretti e Vitali.Casanova, che di Eros era sicuramenteun gran sacerdote, era ugualmente affascinatodalla scienza, nei suoi aspetti praticicome in quelli esoterici della matematica edell’astronomia. Non abbastanza per considerareCasanova uno scienziato, eppuredi fisica e matematica egli ne sapeva parecchio:abbastanza per fare proposte genialie sensate, quali il gioco del lotto al governofrancese e il calendario riformato a CaterinaII, e, all’occorrenza, per cavarsi dagliimpicci con esperimenti mirabolanti comequello dell’amalgama mercurio-bismuto,escogitato per non pagare il conto dell’albergo.Sulla Britannica Casanova è definito«ecclesiastico, scrittore, soldato, spia ediplomatico, ricordato principalmente comeprincipe degli avventurieri italiani».Tutto, ma non scienziato. Dal saggio di Cagliotiemerge dunque il lato meno conosciutoma, forse, più affascinante del famososeduttore veneziano. Casanova osservatoredella natura e delle sue simmetrie,Casanova cabalista e alchimista, ma anchesostenitore del metodo sperimentale e dellapossibilità di un viaggio sulla luna, Casanovageometra, preso dal problema deliacodi duplicare un cubo. Però la folgorantemeditazione di Casanova, tratta dal suoReveries sur la mesure moyenne de notreannée selon la Reformation Gregorienne,è questa: «la simmetria fa piacere, equaliadelectant: si crede di poterla ravvisare nellapace, nella tranquillità, nel sonno, nellamusica, nella danza, nella pittura, nell’architettura... Si parla di equilibrio generalenecessario all’ordine della natura; ma nonsi sa né cosa è, né se le parti che lo compongonopossono o devono avere un equilibrioparticolare tra loro. L’equilibrio generaledella natura nel nostro Universo parrebbenella sua immensità dipendere dauna mancanza continua di equilibrio, poichéun equilibrio generalizzato fa quasi orrore:sembra escludere il movimento. Puòdarsi che la salute, della quale abbiamo bisognoper vivere, dipenda da un difetto diequilibrio necessario al benessere... Il turbiniocaotico della volontà nell’uomo el’istinto nelle bestie spiazzano il tutto dalpunto di mezzo e rompono l’equilibrio».Dunque un Eros di Schopenauer e Freud,non platonico. Caglioti rileva che Casanova,«facendo leva sulla sua sensibilità e sulsuo istinto, con duecento anni di anticipoarriva ad intuire una verità fondamentale,messa in luce soltanto dalla sinergetica diHermann Haken e dalla termodinamica irreversibiledei sistemi aperti in non-equilibriodi Ilya Prigogine».Così questo saggio su Casanova scienziatosi salda singolarmente, attraverso laconsueta scrittura piacevole e accattivantee senza artificio alcuno, ai precedenti testidi Caglioti, «Simmetrie infrante nellascienza e nell’arte» e «Eidos e Psiche»,nonché ai suoi recenti saggi con TatianaTchouvileva sulle radici scientifiche dell’estetica.Con l’apparizione di Casanova suquesto percorso mi sembra chiudersi il famosotriangolo: emerge nel discorso su Eidose Psiche la pulsione interiore verso larealizzazione estetica. Però al quesito setale pulsione sia causa prima o conseguenzadi una rottura di simmetria credo non sipossa rispondere senza aver prima chiaritoi fondamenti fisici dello stato cosciente.Giorgio Benedek67

SCELTI PER VOI a cura di Sergio FocardiMICROFONI DEL FUTUROI DIAMANTOIDII NANOBATTERI68In un recente convegno svoltosi aBerlino sono stati presentati numerosiprototipi di microfoni. Qualcuno diquesti manderà in pensione nel giro diqualche anno i microfoni attuali.La caratteristica comune ai nuovimicrofoni è quella di essere costruitisu supporti di silicio; per il resto si basanosu effetti fisici capaci di trasformarele variazioni di pressione legate aun segnale acustico nella modulazionedi una tensione elettrica. I sensori, lemembrane vibranti raggiungono dimensionidell’ordine del millimetroquadrato e spessori misurabili in micron.I fenomeni usati per la trasduzionedel segnale acustico consistono nellavariazione di corrente prodotta daquella di capacità di un condensatoreun’armatura del quale è formata dallamembrana oppure in quella prodottada una membrana carica che agisceper effetto di un campo variabile su unsemiconduttore.In altre soluzioni, gli spostamentidella membrana vengono convertiti insegnale elettrico sfruttando effetti piezolelettricio piezoresistivi, oppureperturbando una fibra ottica in mododa modulare il segnale luminoso, o modulandoper effetto Doppler la frequenzadi un fascio laser.Questa microtecnologia permettefacilmente di costruire su un unicosupporto fino a 10000 microfoni in mododa poter ricostruire, utilizzando i ritardil’immagine ottenuta per riflessioneda un ostacolo delle dimensioni diun millimetro. I costruttori di questosensore hanno in programma di costruireun vero e proprio occhio da utilizzaresott’acqua illuminando il bersagliocon ultrasuoni.Infine un’altra interessante idea sibasa sull’utilizzo di due fili paralleli postil’uno vicino all’altro e riscaldati elettricamente.La differenza di temperaturadipende dalla velocità dell’aria fra ifili e questa è sensibile a frequenze al disotto dei 10 kHz. Il sistema non può essereimpiegato per sistemi di riproduzionedel suono ad alta fedeltà ma funzionanoa 20 Hz, una regione interessanteper i terremoti, dove non sono utilizzabilimicrofoni a pressione.I diamantoidi sono una famiglia diidrocarburi il cui capostipite, detto adamantanoha una struttura chimica formatada 10 atomi di carbonio e 16 diidrogeno. Gli elementi successivi, diamantano,triamantano, eccetera, si ottengonodal precedente con l’aggiunta diquattro atomi di carbonio e quattro atomidi idrogeno.Furono scoperti e identificati nel1933, dopo che erano stati trovati nelpetrolio. Da allora i geochimici non hannoancora una risposta da tutti condivisasu come si formino questi composti chenon sono di origine biologica. Si ignorase, dove, come e quando siano stati sintetizzatiin natura. Tuttavia essi restanostrettamente collegati al petrolio tantoda costituire un grosso problema perl’impatto ambientale prodotto dai pozzidi estrazione del gas naturale: nei tubidi raccolta se ne possono trovare a tonnellate.La loro stabilità sembra possa essereutilizzata per studiare le caratteristichedei giacimenti di petrolio, stimandol’ammontare delle riserve ancora esistenti.Infatti la disponibilità di petrolio diun giacimento dipende in maniera criticadalla profondità che determina la temperatura.Al di sopra dei 200 °C i componentidel petrolio si rompono in molecolevia via più piccole fino ad arrivare aiprodotti terminali, metano e grafite.Tuttavia non si conosce la frazione didecomposizione del petralio al variaredella temperatura e del tempo trascorsodalla sua formazione.Recenti risultati sperimentali hannomostrato che la concentrazione dei diamantoidicresce con la temperatura,aprendo la possibilità di utilizzare questoparametro come una misurazionedella distruzione del petrolio. Utilizzandoil Golfo del Messico come un laboratorionaturale È stato mostrato che ilpetrolio dei giacimenti profondi ha subitouna notevole trasformazione al puntoche 80% per cento di esso è stato trasformatoin gas.I diamantoidi sembrano aprire lapossibilità di stimare in maniera realisticala quantità di petrolio esistente neivari campi petroliferi e quindi l’entitàdelle riserve mondiali.Esistono veramente i nanobatteri?La stragrande maggioranza dei microbiologirisponderebbe in modo negativo,per i motivi che illustreremo nel seguito.Solo alcuni ricercatori, quelli che ritengonodi avere le prove sperimentali dell’esistenzadi questi strani organismi,sono certi della loro esistenza.La scoperta, come spesso accade, fùdel tutto casuale: Uwins, una geologadella Università di Queensland, analizzandoper conto di una società petroliferaargille prelevate ad alcune migliaia dimetri di profondità osservò al microscopioelettronico strani filamenti che attrasserola sua attenzione. Si trattava dioggetti di piccolissime dimensioni, alcunidell’ordine dei 20 nanometri, a prima vistadifficilmente classificabili come batteri,sia per le dimensioni sia per l’ambientecertamente ostile alla vita da cuierano stati prelevati. A differenza dei virusche non hanno bisogna di una grandecomplessità perché si riproducononella cellula ospite, i batteri sono veri epropri organismi e quindi non possonoesistere al di sotto di certe dimensioni.Secondo stime fatte da diversi ricercatori,anche prevedendo un metabolismomolto lento, un numero ridotto di geni,ognuno dei quali dotato di uno, massimodue, ribosomi che producono le proteine,non è possibile scendere sotto i 200 nanometri.Per di più 20 nanometri sonogiusto le dimensioni del singolo ribosoma.Questi strani organismi hanno anchela singolare abitudine di annidarsi neiposti più strani. Così devono aver pensatodue ricercatori finlandesi che li hannorintracciati nei calcoli renali. Essi hannocoltivato i nanobatteri estratti dai calcolidi numerosi pazienti, li hanno iniettati inconigli verificando successivamente danneggiamentidella regione renale in cuisi formano normalmente i calcoli. Unaconferma di un legame fra questi misteriosiorganismi e alcune patologie renaliviene dal loro ritrovamento in quasi tuttii casi osservati di pazienti sofferenti dipolicisti renale. Per gli specialisti di malattierenali l’ipotesi che un batterio siail responsabile della formazione di calcolinon appare tanto bizzarra, anche perchénon esistono spiegazioni di altro tipo!Science, 5412, 9 aprile 1999, p. 235Nature, 399, 6 maggio 1999, p. 15, 54New Scientist, 2200, 21 agosto 1999, p. 32

ANNUNCI69

70IL NUOVO SAGGIATORE

ANNUNCIISTITUTO DI FISICA DEL PLASMA«PIERO CALDIROLA»8th European FusionTheory ConferenceVilla Olmo, ComoOctober 27-29, 1999Local Organizing Committee:M. Lontano tel. 139 02 66 17 32 60D. Farina tel. 139 02 66 17 32 32C. AllocchioFor further information:Fax: 139 02 66 17 32 29e.mail: fusion99Iifp.mi.cnr.itMAM 2000Materials for Advanced MetalizzationsFebruary 28 - March 1, 2000Hotel Isole Borromee - Stresa71Local Organizing Committee:G. Battimelli, C. Bernardini,M. De Maria, M. Lusignoli,F. SebastianiFor further information:Fax: 139 06 49 02 75Tel.: 130 06 2991 4316 / 4343e.mail: AmaldiAnniversaryIroma1.infn.ithttp://www.roma1.infn.it/Aeaconf/home.htmlLocal Organizing Committee:G. Ottaviani, G. De Santi, F. Lavia,L. Miglio, M. Fanciulli, R. Tonini,T. Marangon, G. Queirolo e C. ValentiniFor further information:G. OttavianiDipartimento di FisicaVia Campi 213/a, ModenaTel.: 139 059 58 60 31Fax: 139 059 36 74 88e.mail: mam2000Iunimo.itMAM Conference Secretariat:Fax: 139 010 6506 302e.mail: valentiniIinfm.it

IL NUOVO SAGGIATORE72From CANADAADGMicro ElectronicsUnited IndustriesP.O. Box 4627 Vancouver, B.C., CanadaV6B 4A1Tel. [604] 240-6372Telefax [604] 267-1932Cercasi rappresentanti, a tempo libero,ambo sessi – esperienza non ènecessaria. Provvigione in dollari.Richiedi gratis il catalogo 1999/2000.