La teoria (e pratica..) del tutto: versione semiseria
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La teoria (e pratica..) del tutto: versione semiseria… • Di che si tratta…? • Qualche accenno alle leggi ( ma semplici……) • L Universo, la sua evoluzione, la materia oscura, l energia oscura, la (le) particelle di Dio… • Qualcosa di più terreno : la fisica sperimentale Pasquale Lubrano, Dirigente di Ricerca INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) Sezione di Perugia pasquale.lubrano@pg.infn.it, http://www.pg.infn.it/home/lubrano 24 Aprile 2009 P. Lubrano 1
Dimensioni tipiche cosmologia nanotecnologie Fisica atomica astronomia astrofisica Fisica nucleare Fisica delle particelle Fisica atmosferica geofisica 24 Aprile 2009 P. Lubrano 4
Idee rubate alla fisica Fisica: processi diffusivi Economia: economia delle opzioni 1979 Nobel Medicina: Cormack e Hounsfeld, TAC 2003 Nobel Medicina: Mansfield (risonanza magnetica) 1997 Nobel Economia: Black and Scholes 24 Aprile 2009 P. Lubrano 5
Sistema Tolemaico La Terra è ferma al centro dell'universo e intorno a essa ruotano, in ordine di distanza, la Luna, Mercurio, Venere, il Sole, Marte, Giove, Saturno e le cosiddette stelle fisse. In un secondo tempo il sistema venne completato introducendo una nona sfera, per giustificare la precessione degli equinozi, e una decima sfera, o primo mobile, che si pensava guidasse gli altri corpi celesti. Orbite circolari (epicicli). Numerose incosistenze con le osservazioni sperimentali (dell’epoca!!). La teoria viene definitvamente abbandonata verso la metà del XVI secolo in favore del sistema Copernicano. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 6
La rivoluzione Copernicana Superando le “concezioni” del sistema Tolemaico, Copernico avanzò l’ipotesi secondo cui la Terra, e gli altri pianeti, ruotano attorno al Sole percorrendo traiettorie di tipo circolare. Orbite non complanari. La Terra (e l’uomo!) NON è più il centro del Sistema Solare! La pubblicazione del sistema Copernicano segnò il punto di partenza per una serie di studi che culminarono con le ricerche dell’astronomotedesco Keplero e del fisico inglese Newton. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 7
Giovanni Keplero frequentò l’Univresità di Tubinga, nel 1595 scrisse “Mysterium cosmographicum” nel quale viene elaborata una teoria “completa” sul moto dei pianeti e sulle loro velocità. Nel 1604 scoprì una Supernova!!!! Keplero e la sua “rivoluzione scientifica”. Elaborazione delle tre leggi basate principalmente su studi effettuati sul pianeta Marte. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 8
La prima Legge di Keplero I pianeti compiono un moto di rivoluzione intorno al Sole. L’orbita dei pianeti intorno al afelio Sole Sole Sole è ben descritta da un’ellisse. perielio raggio Il sole occupa uno dei “fuochi” vettore dell’ellisse di rotazione. pianeta 24 Aprile 2009 P. Lubrano 9
La seconda Legge di Keplero La velocità di rotazione dei pianeti intorno al Sole NON è costante!!!!! Il segmento che congiunge il Sole al pianeta descrive aree uguali in tempi uguali. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 10
La terza Legge di Keplero T = tempo di rivoluzione del pianeta rispetto al Sole. R = distanza media Sole- Pianeta Il cubo di R (R3) è proporzionale al quadrato del tempo di rivoluzione (T2). 24 Aprile 2009 P. Lubrano 11
Sir Isaac Newton calcolò la forza necessaria a mantenere la Luna nella sua orbita intorno alla Terra. Confronto con la forza che attrae un oggetto verso il centro della Terra. ……la teoria della gravitazione universale grazie ad una mela…..! Nel 1687 pubblica i “Principi matematici della filosofia naturale”: spiegando la forza attrattiva tra il Sole ed un pianeta. Spiegazione teorica delle leggi di Keplero e ampio inquadramento delle osservazioni. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 12
Cosa dice la teoria della Gravitazione Universale…? m1m2 Due oggetti, con massa, posti F =G 2 ad una certa distanza (d), si d attirano!!!!!! Perchè???? Perchè hanno massa….. m2 ! m1 24 Aprile 2009 P. Lubrano 13
Tutte le civiltà hanno cercato una spiegazione per le nostre origini…. Gli indiani Maidu (California) pensavano che l’Essere Supremo avesse costruito il mondo usando alcune grandi tartarughe verdi raccolte nelle profondità degli oceani. Egli poi creò l’uomo utilizando terra rossa e dell’acqua…… Gli antichi cinesi pensavano che Phan KU, nascendo da un gigantesco uovo creò il mondo utilizzando gli elementi contenuti all’interno dell’uovo stesso… 24 Aprile 2009 P. Lubrano 14
Ovviamente ci sono anche spiegazioni, o tentativi di spiegazione, molto più profonde…e con una risonanza di tipo diverso…. Nel principio Dio creò i cieli e la terra. La terra era informe e vuota, le tenebre coprivano la faccia dell’abisso e lo Spirito di Dio aleggiava sulla superficie delle acque. Dio disse: “Sia Luce!”. E luce fu. Dio vide che la luce era buona; e Dio separò la luce dalla tenebre. Dio chiamò la luce “giorno” e le tenebre “notte”. Fu sera, poi fu mattina: primo giorno. Genesi 1:1-3 24 Aprile 2009 P. Lubrano 15
Cosa dice la Scienza…..? Gli scienziati propongono una spiegazione diversa: che si basa principalmente su osservazioni sperimentali, sulla Terra e nello Spazio, e sulla successiva analisi dei dati raccolti. Modello cosmologico del Big Bang. Circa 14 Miliardi di anni fa non c’era NIENTE. Ne materia, ne energia, ne spazio, ne tempo…il vuoto assoluto. Ma cos’è il vuoto? Il Big Bang NON è un’esplosione NELLO spazio, ma un’esplosione DELLO spazio. Cosa ci fosse prima è pura e semplice “speculazione”…….. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 16
24 Aprile 2009 BANG! P. Lubrano 17
Fluttuazione del vuoto. Singolarità estremamente calda e dense. Enorme quantità di energia. Tutta la materia che fa parte attualmente di ciò che è noto come Universo contenuta in un singolo punto. Dove non c’era niente, ne spazio ne tempo, ora c’era l’intero universo: piccolo, immensamente caldo, estremamente denso, formato da subparticelle elementari. Dopo qualche frazione di secondo espanzione e raffreddamento. Fotoni diventano quarks; quarks diventano neutroni e protoni; neutroni e protoni formano atomi, molecole, stelle, galassie… 24 Aprile 2009 P. Lubrano 18
• Al “tempo” t=0 le quattro forze fondamentali della Natura (forte, elettromagnatica, debole e gravitazionale) erano in realtà unificate in un’unica forza. • Dopo poco, all’istante t=10-43 sec la forza gravitazionale si “separa” dalle altre. T=1032 K Descrizione: sconosciuta. • Dopo il primo milionesimo di secondo (10-6 sec), T=1013 K, radiazione quasi completamente convertita in quarks- anti-quarks. Lieve eccesso di quarks. Annichilazione particelle-antiparticelle, lieve eccesso di protoni e neutroni. • Dopo circa 5/10 secondi, raffreddamento (T=1010 K). Eliminazione (per annichilazione) della quasi totalità dei positroni. Protoni, elettroni, neutroni 24 Aprile 2009 P. Lubrano 19
• Dopo qualche minuto la temperature era scesa a sufficienza da permettere la fusione di protoni e neutroni per formare Nuclei! • Nucleosintesi: produzione di elio, deuterio, litio: circa ¼ dei protoni vengono utilizzati per formare elio. La maggior parte dello spazio è riempito di elio e idrogeno • La rapida espansione fece scendere la temperatura ad un valore troppo basso perchè la fusione continuasse. La formazione degli elementi più pesanti deve attendere la nascita delle stelle. • Dopo circa un milione di anni. T = 3000 K. Formazione degli atomi, cattura degli elettroni da parte dei nuclei. Disaccoppiamento radiazione-materia. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 20
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Modello standard cosmologico del BIG BANG. Perchè si crede cosi fortemente in questo modello….? 1)Big Bang nucleosintesi (formazione degli elemennti leggeri durante la prima fase di espansione dell’Universo) 2)Espansione Hubble 3)Radiazione di fondo Cosmica (cosmic microwave background) 24 Aprile 2009 P. Lubrano 22
Nucleosintesi Big bang • Elementi leggeri (deuterio, elio e litio) prodotti durante le prime fasi del big bang: nei primi minuti (
La Legge di Hubble • Hubble scoprì che più le Galassie sono distanti più si allontanano velocemente: il rapporto tra la distanza della galassia e la sua velocità di recessione è costante. • Misura del redshift (Z = / = v/c) consente di misurare la velocità di recessione delle galassie. V= Ho D = cz Ho Costante di Hubble 24 Aprile 2009 P. Lubrano 24
Redshift: spostamento verso il rosso Lo spostamento verso il rosso, chiamato col termine inglese redshift, è il fenomeno per cui la frequenza della luce, quando osservata in certe circostanze, è più bassa della frequenza che aveva quando è stata emessa (con aumento della lunghezza d’onda). Lo spostamento verso il rosso della luce emessa da una sorgente, secondo i modelli attuali della fisica, può essere causato da tre fenomeni: - l‘effetto Doppler dovuto all'allontanamento della sorgente; - l'espansione dell'Universo, durante la quale si forma nuovo spazio tra sorgente ed osservatore, aumentando la lunghezza d'onda della radiazione; - effetti gravitazionali di corpi massicci, come quasar e buchi neri, che “stirano” le onde elettromagnetiche Esempio di spostamento verso il rosso: a sinistra lo 24 Aprile 2009 P. Lubrano 25 spettro del Sole, a destra quello di una galassia.
La Legge di Hubble – Età dell’Universo • Da un lato la legge di Hubble ha un’interpretazione molto semplice. Supponiamo che al tempo t=0 tutta la materia osservata oggi fosse concentrata in una piccola regione. • L’espansione ha poi inizio segueno la legge di Hubble. • Oggi, al tempo t=T la distanza percorsa da una galassia sarà D=VT, ma poichè V=H0D T=1/H=(13.8±1.4) 109 anni • Da notare che la “costante” di Hubble (lo stesso numero per tutte le galassie) in realtà cambia continuamente nel tempo! • Velocità diverse di espansione dell’Universo in epoche diverse? • La recessione delle Galassie contraddice l’ipotesi di un universo stazionario ed è uno dei “pilastri” della teoria del Big Bang. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 26
La Legge di Hubble • La legge di Hubble, unita al principio cosmologico (non esiste un osservatore privilegiato, ma l’universo appare lo stesso da dovunque lo si guardi) richiede che la distanza tra due qualunque Galassie aumenti con la distanza. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 27
Radiazione cosmica di fondo (CMB) • Cos’è! E’ il residuo della radiazione prodotta dal Big Bang che ancora pervade l’Universo. • Prevista teoricamente. Scoperta sperimentalmente in modo abbastanza accidentale: Penzias e Wilson • Eccesso di rumore su un’antenna su cui stavano lavorando! La radiazione si osserva oggi nel campo delle microonde ad una temperatura che, a causa dell’espansione dell’Universo è scesa da circa 3000 K a 2.725 K. Lo studio delle sue caratteristiche è molto importante per conoscere le proprietà dell’Universo a grande scala. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 28
Radiazione cosmica di fondo (CMB) Lanciato da un razzo Delta (18/11/1989) Tre strumenti a bordo: •FIRAS Far InfraRed Absolute Spectrometer •DMR Differential Microwave Radiometer •DIRBE Diffuse InfraRed Background 2,270Kg; 5.49m x 2.44m (8.53m con i pannelli solari aperti) 24 Aprile 2009 P. Lubrano 29
Radiazione cosmica di fondo (CMB) Il cielo a microonde visto da COBE “È la scoperta scientifica del secolo, se non di tutti i tempi” Stephen Hawking (25 aprile 1992) La temperatura della radiazione cosmica di fondo è estremamente uniforme in tutte le direzioni. Piccole fluttuazioni di temperatura (dell’ordine di una parte su centomila) possono essere interpretate come la traccia della successiva formazione delle galassie (relative a regioni di spazio piu dense, le galassie appunto) 24 Aprile 2009 P. Lubrano 30
Materia ed Energia • L’equazione centenaria E=mc2 significa che ad ogni forma di materia è associata un’energia • L’equazione più generale è E = m2c 4 + p 2c 2 • Dice che si può avere energia anche senza massa, pur di avere impulso p non nullo. • Ad esempio per la radiazione elettromagnetica m=0 ed E= cp • La domanda che ci si pone è quanta energia ci sia nell’universo 24 Aprile 2009 P. Lubrano 31
Destino dell’Universo • Il futuro dell’Universo dipende dalla quantità di massa al suo interno: sorprendente? No davvero, ricordate Keplero e Newton?? • Le cose si complicano in modo “eccessivo” quando le velocità degli oggetti diventano relativistiche (cioè prossime alla velocità di propagazione della luca): relatività generale (Einstein) e gravità quantistica. • AL suo interno agiscono due forze contrapposte: la spinta dell’esansione, che fa allontanare le galassie dempre più le une dalle altre, e la forza di gravitazione, che tende a tenerle legate e a frenare l’espansione. • Quale sarà la fine dell’Uiverso dipende da quale delle due prevarrà!! 24 Aprile 2009 P. Lubrano 32
Destino dell’Universo • Esiste una densità critica dell’Universo al di sopra della quale l’attrazione gravitazione diventa sufficientemente forte da frenare l’espansione. • Al di sotto di questa densità critica la materia presente è insufficiente per controbilanciare la spinta di espansione e l’Universo è destinato ad espandersi indefinitamente. Universo aperto • Al di sopra di questa densità critica, al contrario, l’espansione inizierà a frenare e poi, lentamente, le galassie cominceranno a riavvicinarsi, fino a scontrarsi e a fondersi tra loro in un gigantesto impatto: il Big Crunch. Universo chiuso. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 33
Destino dell’Universo • E cosa succede se la densità dell’Universo è esattamente uguale alla densità critica???? L’espansione rallenterà molto lentamente, l’attrazione gravitazionale non è sufficiente a far collassare l’Universo su se stesso. Universo piatto 24 Aprile 2009 P. Lubrano 34
• Da queste considerazioni appare chiara l’importanza di determinare la quantità di materia presente nel cosmo. • Ci sono fondalmente due metodi • il primo consiste nel sommare la massa di tutte le galassie presenti in un certo volume, dividendo poi per il volume stesso. Questo metodo, apparentemente “semplice”, è reso piuttosto complicato dalla presenza di Materia Oscura, piuttosto difficile da osservare. • il secondo consiste nel misurare la velocità di allontanamento di galassie a diverse distanze, cioè di diverse età, e calcolare di quanto l’Universo ha decelerato la propria espansione negli ultimi miliardi di anni. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 35
• Come si misura la massa di un oggetto in cielo? • La terza Legge di Keplero è una diretta v conseguenza delle leggi di Newton: M R m ma =F=GmM/R2 ma a=v2/R da cui: La decrescita Kepleriana v2=GM/R (III legge di Keplero) • Misurando le velocità e i raggi delle orbite dei pianeti si può ricavare la massa del sole. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 36
Materia oscura • Ciò che vediamo con i telescopi tradizionali (stelle, pianeti, comete, spazi intergalattici…) rappresenta solo una piccola frazione della materia che compone l’Universo. • La componente più sostanziale è costituita da una forma di materia che non emette ne assorbe radiazione luminosa: ad esse è stato dato quindi il nome di materia oscura. • Gioca un ruolo fondamentale per la comprensione dell’evoluzione dell’Universo. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 37
Materia oscura • Ipotizzata nel 1933 da Fritz Zwicky, misura della velocità di rotazione di una galassia confrontanta con la sua massa visibile: solo il 5% della massa è spiegabile con materia visibile! • La materia oscura non emette radiazioni da noi misurabili, ma in quanto materia ha influssi gravitazionali sui corpi misurabili indirettamente. Materia visibile Materia oscura 24 Aprile 2009 P. Lubrano 38
Materia oscura • Misura della velocità di rotazione dell’ammasso galattico della Chioma di berenice (metodo Doppler). Confronto con la massa visibile: quest’ultima si rivela essere meno del 5% di quella necessaria per contrastare la forza centrifuga con quella gravitazionale. • Ipotizza quindi l’esistenza di materia non visibile che tuttavia manifesta I suoi influssi gravitazionali!! 24 Aprile 2009 P. Lubrano 39
Materia oscura • Nel 70 nuovi studi teorici (Schramm e Peebles) •Osservazioni più recenti (Rubin, 1970) • Velocità medie osservate in funzione della distanza dal centro (blu= ipotesi). La maggiore intensità di luce proviene dal centro (una galassia dovrebbe ruotare in modo simile ad un sistema planeta- rio). Allontanandosi dal centro la velocità dovrebbe diminuire e non rimanere costante. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 40
Materia oscura - Altre prove • Velocità di formazione degli ammassi galattici Le galassie, grazie alla mutua interazione gravitazionale, tendono ad aggregarsi in sistemi chiamati ammassi galattici. Applicando le leggi di Newton si possono determinare i moti relativi degli elementi di un ammasso: osservazioni sperimentali mostrano l’esistenza di galassie che vanno a velocità anche 400 volte superiori a quelle ipotizzate. Conclusione: sono probabilmente più pesanti di quanto sembri, con materia non visibile. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 41
Materia oscura - Altre prove • Gas caldi in ammassi di galassie Osservazione di grandi quantità di “gas” caldi in ammassi di galassie. Emissione di raggi x: quantità largamente in eccesso rispetto alle previsioni. Immagine raggi X satellite ROSAT 24 Aprile 2009 P. Lubrano 42
Materia oscura – Cos’è……?? • La natura della materia oscura è al momento ignota. • La sua comprensione è uno dei problemi più interessanti (e, completamente, aperti…..!) della fisica di questo momento. • L’ipotesi più accreditata è che si tratti di un gas di particelle circa cento volte più pesanti del protone e con interazioni debolissime, i neutralini, finora mai osservate in laboratorio. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 43
Contenuto energetico dell’Universo 24 Aprile 2009 P. Lubrano 44
L’ espansione e’ accelerata: • La legge di Hubble V=const R corrisponde a un’espansione uniforme Fit Distanza R → dello spazio. • E’ naturale chiedersi se, a Hubble grande distanza, non ci siano accelerazioni o decelerazioni in questo z processo. • Negli ultimi anni da una serie di osservazioni a • Cioè per una determinata grandissima distanza e’ velocità le SNIa sono a distanza emerso che la luminosità maggiore di quanto previsto delle “candele dalla legge di Hubble. campione” (SNIa) decresce con la velocita’ più di • Ciò si interpreta come una quanto previsto dalla legge espansione accelerata dell’ di Hubble 24 Aprile 2009 P. Lubrano universo. 45 45
Energia Oscura • L’accelerazione non può essere spiegata dalle interazioni gravitazionali di materia (inclusa la materia oscura) e radiazione, che darebbero semmai un effetto di decelerazione. • L’espansione accelerata richiede una nuova forma di energia, che permea tutto l’ universo e che ha un’ equazione di stato inusuale: •Questa energia oscura, di cui si sa pochissimo, e’ il • Mentre materia e radiazione costituente principale dell’ hanno equazioni di stato del energia dell’ universo. tipo DP= kD U con k>0, per questa forma di energia la costante e’ negativa. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 46
Ci son più cose in cielo e in terra, Orazio, che non ne sogni la tua filosofia 24 Aprile 2009 P. Lubrano 47
Domande senza risposta….per ora. • Materia oscura (Mah….), Energia oscura (Mah al cubo…), Massa mancante…. • Universo aperto, chiuso o piatto? • Altri Universi? Altre dimensioni? • Assenza di anti-materia nell’Universo. • Cosa c’era prima del Big Bang (…questa è la madre di tutti i Mah….) 24 Aprile 2009 P. Lubrano 48
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare : le strutture e la missione. 20 Sezioni 11 Gruppi collegati 4 Laboratori Centro Nazionale di Calcolo VIRGO : European Gravitational Observatory 24 Aprile 2009 P. Lubrano 49
Struttura dell’INFN Consiglio Direttivo Commissione 54 3 2 1 Scientifica 24 Aprile 2009 P. Lubrano 50
Commissioni Scientifiche Nazionali Fisica delle particelle agli acceleratori Fisica Astro-particellare Fisica Nucleare Fisica Teorica Fisica Interdisplinare (Tecnologia, Fisica medica) 24 Aprile 2009 P. Lubrano 51
Personale Università INFN Associati con 620 Ricercatori incarico di ricerca 1000 253 Tecnologi Associati con incarico tecnico 200 829 Tecnici Associati 700 304 Amministrativi 8 Dirigenti 400 Contratti temporanei Laureandi, dottorandi, 1300 borsisti associati 24 Aprile 2009 P. Lubrano 52
Finanziamenti 24 Aprile 2009 P. Lubrano 53
AdA: Anello di Accumulazione F r a s c a t i 1961 1m Il prototipo dei collisori materia-antimateria 24 Aprile 2009 P. Lubrano 54
Non è ancora finita...le 4 interazioni fondamentali (ricordate? Abbastanza vicini a t=0……) " elettromagnetiche " elettrodeboli " deboli Modello Standard " forti Forza forte " gravitazionali §Tengono insieme i nuclei atomici §confinano i quark nei protoni e neutroni Forza elettromagnetica §sono mediate da gluoni §si indeboliscono a piccole distanze • tiene insieme atomi e molecole • spiega tutti i fenomeni em & ottici Forza debole • raggio d’azione infinito §Interazioni deboli responsabili per • schermata a grandi distanze la scomparsa dell’anti-materia • mediata dal fotone Forza gravitazionale §Abbiamo visto cosa è capace di combinare § E’ di gran lunga la più debole delle quattro 24 Aprile 2009 P. Lubrano 55
Particelle di massa elevata possono essere create trasformando energia cinetica in massa. Per formare una massa grande, servono proiettili con grande energia cinetica: 24 Aprile 2009 P. Lubrano 56
CERN, SLAC e compagnia Gli eredi del microscopio elettronico sono macchine enormi e complesse SLAC – Stanford, California CERN, Ginevra, Svizzera Acc. Lineare – 3 km Acc. circolari SPS (7 km), LEP/LHC (27 km) 24 Aprile 2009 P. Lubrano 57
Fisica agli acceleratori di particelle 24 Aprile 2009 P. Lubrano 58
Fisica agli acceleratori di particelle LHC e il Big Bang 24 Aprile 2009 P. Lubrano 59
Fisica agli acceleratori di particelle Evento simulato di collisione piombo-piombo 24 Aprile 2009 P. Lubrano 60
ATLAS 24 Aprile 2009 P. Lubrano 61
CMS 24 Aprile 2009 P. Lubrano 62
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Fisica Astro-particellare April 22, 2007 24 Aprile 2009 Astrofisica Gamma P. Lubrano 64 64
MAGIC Fisica Astro-particellare STACEE TIBET TIBET ARGO-YBJ MILAGRO STACEE CACTUS TACTIC PACT GRAPES HESS April 22, 2007 24 Aprile 2009 Astrofisica Gamma P. Lubrano 65 65
FGST = Fermi gamma ray Space Telescope Ultimo nato della generazioni di esperimenti spaziali. Lanciato 11 Giugno 2009: grandi scoperte. Ha registrato la più violenta esplosione mai vista nel cosmo (GRB). 24 Aprile 2009 P. Lubrano 66
Fisica interdisciplinare Fisica interdisciplinare: Adroterapia dei tumori. Centro specializzato di eccellenza istituito dall’INFN in collaborazione con strutture mediche di numerose regioni. Primi paienti in cura (un centinaio). Pavia. 24 Aprile 2009 P. Lubrano 67
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