di Laura Luigia Martini*
Muore il 9 febbraio scorso a Losanna, all’età di 96 anni, uno dei più eminenti fisici, nonché appassionato divulgatore scientifico italiano, Antonino Zichichi, Professore ordinario e successivamente Professore Emerito di Fisica Superiore all’Università di Bologna. Nel corso della sua brillante carriera, il trapanese Zichichi lavora anche presso il CERN di Ginevra e il Fermilab di Chicago e viene insignito di numerose onorificenze e riconoscimenti dalla comunità scientifica internazionale. Negli anni è anche Presidente dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Presidente della Società Europea di Fisica (EPS), Fondatore del Centro di Cultura “Ettore Majorana” ad Erice e Fondatore e Presidente della World Federation of Scientists.
Parlando di lui come uomo, secondo la filosofia che pervade il suo pensiero, non esiste scoperta scientifica né teorema che neghi l’esistenza di Dio, ma è invece proprio la complessità dell’universo a suggerire la regia di una sorta di “ingegnere”, di un “progettista” del mondo per come lo osserviamo, convinzione che gli valse le critiche di molti colleghi. E in completa assonanza con la propria fede, Zichichi concepisce la scienza come lo strumento della ricerca della verità, secondo una visione dell’universo governato da quelle leggi della fisica che regolano dal microcosmo atomico al macrocosmo cosmologico. L’intero suo lavoro è dunque basato sul rigore logico-matematico e sul principio della riproducibilità sperimentale che egli costantemente pone al centro del proprio metodo scientifico. Nota è la sua inimicizia nei confronti di tutto ciò che considera irrazionale, per cui egli è critico nei confronti della teoria dell’evoluzione darwiniana in quanto non basata su equazioni matematiche descrittive o prove di laboratorio riproducibili, ma è al contrario un grande sostenitore del metodo galileiano delle “sensate esperienze” e delle “necessarie dimostrazioni”. Altrettanto chiare le sue posizioni sull’impiego del nucleare come fonte alternativa di energia, tanto da fargli dichiarare nel 2012, nel corso di un’intervista a “La zanzara” su Radio 24: “Sarei felice se la Sicilia fosse piena di centrali nucleari. Centrali sicure e controllate, costruite da veri scienziati”.
Pur non avendo mai conquistato il Premio Nobel, Antonino Zichichi è senza dubbio un gigante dell’era moderna e la sua eredità scientifica è immensa, considerando che l’attività di ricerca si è articolata soprattutto nel campo della fisica delle particelle elementari, nucleare e subnucleare, con i più rilevanti contributi in tema di antimateria nucleare. Tale branca della fisica studia i costituenti della materia e le forze che agiscono su di essi ed è talvolta denominata “fisica delle alte energie”, con riferimento alle interazioni tra particelle elementari che si verificano in acceleratori ad altissima energia e che permettono di creare particelle non presenti in natura in condizioni ordinarie. Dal punto di vista teorico il quadro che descrive le particelle (quark e leptoni) e tre delle quattro forze fondamentali che governano le loro interazioni (elettromagnetica, nucleare forte e nucleare debole) è il cosiddetto Modello Standard, le cui conferme sperimentali sono molte, ma molte anche le limitazioni a cui è soggetto.
Questo articolo, senza la pretesa di essere esaustivo su argomenti di tale complessità, cercherà di fare chiarezza in merito ai diversi concetti, uno dopo l’altro, spiegandone le ricadute nell’attuale contesto industriale e non solo.
L’antideutone, ovvero il nucleo di antimateria del deuterio, composto da un antiprotone e da un antineutrone, è il primo ad essere osservato, durante un esperimento al CERN nel 1965 proprio dal gruppo di studiosi guidato da Zichichi. La particella viene generata facendo collidere protoni ad alta energia contro un bersaglio metallico all’interno di un sincrotrone. In quelle condizioni sperimentali, le collisioni tra particelle producono un gran numero di stati diversi, e l’identificazione di un nucleo di antimateria richiede misure estremamente accurate delle proprietà delle particelle generate. Ancor oggi l’evidenza sperimentale dell’antideutone rappresenta una pietra miliare nella fisica delle particelle: per la prima volta viene infatti dimostrato che l’antimateria può formare nuclei seguendo le stesse leggi della materia. Come evidenziato da Fanpage in un recente articolo, “dimostrare l’esistenza dell’antideutone significava rispondere a una domanda aperta da decenni: le antiparticelle possono legarsi tra loro nello stesso modo in cui lo fanno protoni e neutroni nella materia ordinaria? Questa possibilità non era affatto scontata e rappresentava un banco di prova cruciale per verificare la simmetria tra materia e antimateria ipotizzata da Paul Dirac.” La teoria di Dirac prevedeva infatti l’esistenza di un universo perfettamente bilanciato, dove materia e antimateria possono annichilirsi convertendosi in energia pura. L’antideutone di Zichichi è la prova sperimentale della bontà dell’intuizione teorica che Paul Dirac ebbe 40 anni prima.
Importantissimi anche i contributi dello scienziato siciliano in materia di fisica subnucleare, con particolare riferimento alla Cromodinamica Quantistica (QCD), campo di studi della fisica teorica che descrive l’interazione nucleare forte, e agli approfondimenti legati alla struttura adronica, ovvero la struttura interna di protoni, neutroni e mesoni.
Fondamentale infine il lavoro di Zichichi sulla materia oscura, che in cosmologia è un’ipotetica componente di materia, componente che, diversamente dalla materia conosciuta, non emetterebbe radiazione elettromagnetica e sarebbe rilevabile solo in modo indiretto attraverso i suoi effetti gravitazionali, quella stessa materia che costituirebbe circa il 27% della densità di energia totale dell’universo osservabile e che per questo avrebbe avuto una forte influenza sulla sua struttura ed evoluzione. Per questi studi il fisico propone e promuove la creazione dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso negli anni ‘70/’80, laboratori utilizzati per studiare particelle rare, inclusa appunto la materia oscura. Le montagne, secondo la sua giusta intuizione, fungono da filtro naturale per schermare i raggi cosmici e permettere lo studio di particelle cosiddette elusive, come i neutrini, particelle subatomiche, di massa quasi nulla e prive di carica, particelle che riescono ad attraversare la materia (inclusi pianeti e corpi umani) quasi senza interagire, prodotte in processi nucleari (sole, stelle), particelle “spettrali”, difficili da rilevare, e dunque ottime per studiare e per comprendere l’universo profondo. La ricerca di antideutoni nel cosmo è un metodo per l’individuazione di tracce di materia oscura, che si è appena descritto essere il più misterioso degli enigmi. In sostanza, sappiamo che la materia oscura esiste, ma non sappiamo di cosa è fatta. Un antideutone potrebbe infatti essere il prodotto dall’annichilamento o del decadimento di ipotetiche particelle di materia oscura. Alcune teorie suggeriscono perfino che i buchi neri primordiali, formatisi subito dopo il Big Bang, possano costituire una parte della materia oscura.
Ma quali sono ad oggi le ricadute industriali di tali teorie ad eccezione delle enormi implicazioni nella ricerca fisica?
Attualmente l’influenza dell’antideutone in campo industriale è principalmente indiretta, in quanto esso incarna una frontiera della fisica, oltre a trattarsi di una particella la cui produzione e confinamento sono estremamente difficili, così come pure altissimo è il costo energetico per ottenerla. La sua individuazione ha tuttavia dato vita allo sviluppo di tecnologie sempre più avanzate utili alla sua produzione, rivelazione e conservazione. L’utilizzo dell’antideutone, insieme ai deutoni, permette agli scienziati di studiare i meccanismi di formazione dei nuclei leggeri attraverso la tecnica della femtoscopia, fondamentale per comprendere l’interazione forte, senza dimenticare che la capacità di produrre antinuclei pesanti apre la strada alla creazione di atomi di antidrogeno per testare le simmetrie fondamentali della fisica (CPT, Charge, Parity, Time symmetry). Sono stati inoltre sviluppati calorimetri a scintillazione a elio pressurizzato, i quali trovano applicazione in ambito industriale per la diagnostica avanzata o la scansione dei materiali. In ambito medicale, sebbene la PET utilizzi positroni, la ricerca sull’annichilazione della materia (inclusi potenzialmente gli antideutoni) ha guidato lo sviluppo di tecnologie di tracciamento e rivelazione che migliorano la risoluzione e l’accuratezza delle immagini medicali.
Vale la pena menzionare inoltre i progressi industriali in materia di criogenia, dato che la produzione e lo stoccaggio dell’antimateria necessitano di tecnologie per il vuoto spinto e la criogenia avanzata. Si tratta di tecnologie di grande importanza nell’industria dei semiconduttori, delle nanotecnologie e dello studio dei materiali.
E va citato anche lo sviluppo software per la simulazione delle interazioni dell’antideutone, che trova applicazione nella progettazione ingegneristica, nella dosimetria radiologica, nello sviluppo dei materiali schermanti.
Ma una delle applicazioni principali è proprio la caccia alla materia oscura. Come già accennato, la rilevazione di antideutoni nei raggi cosmici è considerata un segnale “smoking gun” (prova regina) per l’annichilazione della materia oscura nella nostra Galassia. Esperimenti come GAPS (General Antiparticle Spectrometer) e AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) sulla Stazione Spaziale Internazionale ne cercano le tracce anche in relazione allo studio dell’evaporazione di buchi neri primordiali e in generale per comprendere la composizione dell’universo, mentre la misurazione delle sezioni d’urto di annichilazione dell’antideutone aiuta a calibrare i modelli di propagazione dell’antimateria nella nostra galassia.
L’antideutone rappresenta infine una delle frontiere teoriche più avanzate per l’esplorazione spaziale futura, in particolare per la sua altissima densità energetica. Sebbene attualmente la sua produzione sia limitata a piccolissime quantità, le applicazioni teoriche a lungo termine includono la propulsione spaziale interstellare e planetaria, dal momento che l’annichilazione materia-antimateria rilascia una quantità di energia enorme superiore a qualsiasi reazione nucleare. L’antideutone potrebbe essere utilizzato in motori ad annichilazione diretta o propulsori catalizzati dall’antimateria (per innescare la fusione nucleare), permettendo di raggiungere velocità del 95% di quella della luce. Un motore ad antimateria potrebbe ridurre i tempi di viaggio all’interno del sistema solare a poche settimane anziché anni. E grazie alla sua efficienza, l’antimateria è considerata la chiave per l’esplorazione interstellare umana, rendendo teoricamente possibile viaggiare verso stelle vicine (come Alpha Centauri) nel giro di pochi decenni.
In sintesi, gli studi di Antonino Zichichi sono un oggetto di ricerca di frontiera più che materia prima per applicazioni industriali, e hanno lo scopo ultimo di migliorare le tecnologie che supportano le esplorazioni spaziali, svelare i segreti della materia oscura e i misteri dell’asimmetria materia-antimateria, la cosiddetta asimmetria barionica. Tutte prospettive di grande fascino per una mente aperta sul futuro, per cui, come egli era solito dire, “abbiamo avuto il dono della Ragione: usiamola”.
*MSc in Nuclear Engineering – Politecnico di Milano, Senior Strategic Advisor, Global Executive