Le ricerche dell'ateneo friulano presso la NASA e il CERN - Alessandro De Angelis

Le ricerche dell’ateneo friulano
   presso la NASA e il CERN

                                        Alessandro De Angelis
                                         Univ. di Udine e INFN Trieste
                                          www.ud.infn.it/~deangeli

                                            Belluno, novembre 2001

Copia pdf del seminario si trova in www.ud.infn.it/~deangeli/test/belluno.pdf

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         Sommario

n   Archeologia (come e dove le cose sono iniziate)

n   Fisica agli acceleratori: dalle camere a bolle alla
    rivoluzione elettronica

n   La frontiera di oggi: astroparticelle

n   Dove le cose ritornano ?

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         Gli inizi della fisica
         delle alte energie

n   1900: Esperienza di Rutherford
    (schema: particelle prodotte
    in laboratorio urtano un bersaglio)

n   1912: Elettroscopio di Hess
    (schema: si utilizzano i raggi cosmici)

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             I primi anni

n   Negli anni ’30 e ’40, le due
    tecniche convivono
    n   Grandi scoperte da raggi
        cosmici fotografati su
        emulsioni fotografiche
    n   Ben presto tuttavia la tecnica
        degli acceleratori di particelle
        si avvia a prendere il
        sopravvento
         n   Si conosce l’energia e il tipo di
             particelle incidenti
         n   La tecnica ha i suoi sviluppi piu’
             importanti negli USA

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           Antonio Rostagni a Padova

n   Negli anni precedenti la seconda
    guerra mondiale, la maggior parte
    dei grandi fisici italiani e’ costretta
    dalle leggi razziali (o dalla
    solidarieta’) ad emigrare negli Stati
    Uniti
n   Subito dopo la fine della guerra,
    Edoardo Amaldi riorganizza la fisica
    italiana
    n   Consiglia a Padova un professore
        dell’Universita’ di Messina, Antonio
        Rostagni

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         Il centro della
         Marmolada

n   Rostagni e’ pieno
    di entusiasmo e si
    da’ da fare…

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           E quindi uscimmo a riveder le stelle…
n   Il laboratorio della Marmolada diviene uno dei poli della
    ricerca fondamentale mondiale
    n   Visita di Enrico Fermi
n   Si formano giovani che daranno importanti contributi alla
    fisica italiana del dopoguerra (Cresti, Guerriero)

n   Il tutto in uno spirito di
    semplicita’, entusiasmo e
    buonumore

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         Anni ’55 – ’80 : si torna sottoterra

n   I fisici “di grido” emigrano nei laboratori (Argonne,
    Brookhaven, LBL, Stanford, CERN, FNAL…) dove sono
    disponibili grandi acceleratori per le osservazioni

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          Un intermezzo: che cosa vuol dire
          “osservazioni ?”
n   La fisica costruisce modelli che spiegano la natura (o
    meglio le nostre osservazioni della natura, o meglio ancora le
    osservazioni della nostra interazione con la natura)
n   Conosciamo il mondo principalmente attraverso i
    nostri occhi, sensibili a una banda di frequenze
    centrata sulla frequenza di emissione del sole

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            L’informazione raccolta
            dai nostri occhi
n   Ci ha consentito di vivere in
    una natura ostile
n   Ci da’ piacere, ci fa sentire
    parte dell’universo
n   E’ lenta, limitata, incompleta
n   Negli ultimi secoli assistiamo a un’accelerazione della
    scienza (della storia)
    n   Valutiamo piu’ informazione, piu’ velocemente
    n   Questo si riflette sul modo in cui acquisiamo ed elaboriamo
        informazione, nel piccolissimo come su scale cosmologiche

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          Test: siete bravi fisici delle particelle?
Prova anche tu! Trova la forma del bersaglio nascosto dalla nuvoletta nera...

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Soluzione...

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Camere a bolle

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         Charpak e la camera a fili

n   Ora l’informazione e’ facilmente digitalizzabile (ossia:
    traducibile in numeri) !
n   La camera a fili apre la porta all’uso del computer per
    l’analisi dei dati in fisica fondamentale

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         Rubbia e la rivoluzione elettronica

n   UA1, Rubbia ‘80 : un grande esempio di
    uso delle tecnologie di punta (105 canali
    di elettronica)

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           Qui l’universita’ di Udine comincia a
           giocare un ruolo importante...
n   Anni ‘80: si comincia a pensare a professionisti
    dell’informatica
    n   Simulazioni
    n   Event displays
    n   Dopo il ‘92, interfacce Web

n   Molti studenti dell’ateneo friulano vanno a Ginevra;
    alcuni si sono sistemati li’
    n   In particolare i bellunesi…

n   L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) ha
    fiducia in noi: con importanti finanziamenti ci ha
    aiutato a partire e oggi ci aiuta crescere

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           La seconda generazione
           basata sui computers
n   Gli esperimenti di fine XX secolo : ~
    106 canali di elettronica, > 1
    int./secondo (DELPHI, Ugo Amaldi ’90)
n   Data Summary Tapes di 107 eventi, ~1000
    GBytes

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         Il prossimo futuro
n   Nel prossimo futuro
    (2007-) aspettiamo un
    altro fattore 1000…
n   …impossibile “vedere” gli
    eventi senza il computer

    TROPPO PICCOLI E
    TROPPO COMPLESSI

    Fisica Computazionale a
    Udine: enfasi sull’analisi
    dei dati

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         Le infrastrutture
         e l’elaborazione dell’informazione

n   Tecnologie di punta
    nell’immagazzinamento
    dei dati e
    nell’elaborazione
    dell’informazione
    Byproducts come il
    World Wide Web
n   …e dimenticatevi Matrix:
    ora arriva GRID

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             Altissime energie

n   Ma gli acceleratori sono limitati…
    Le scale dei tempi e i costi si stanno dilatando…
    Le collaborazioni diventano sempre piu’ grandi...
    n   Circa il 10% dei fisici delle alte energie tornano ai raggi
        cosmici
         n   Altissime energie, eventi inspiegati

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          Fisica dei costituenti elementari:
          una linea per il futuro
n   Per andare oltre, acceleratori
    grandi come le stelle e le
    galassie...
n   Ma ci sono acceleratori
    grandi come le stelle e le
    galassie: sono le stelle e le
    galassie stesse
n   Dall’Universo, raggi di
    energia 108 volte > di quelli
    che l’uomo riesce a produrre
n   NASA, ESA: cercare
    l’infinitamente piccolo
    nell’infinitamente grande

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         Inoltre: ci sono oggetti invisibili
         (e dominano la materia dell’Universo)

n   La materia
    oscura
    (probabilmente
    il 90% della
    materia) non
    emette nelle
    frequenze da
    noi visibili   n Nuove particelle
                     elementari

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         La materia oscura
         e il nostro destino ultimo

n   Misurare quanta materia
    c’e’ nell’Universo ci puo’
    chiarire il problema
    fondamentale : l’Universo
    tornera’ indietro o
    continuera’ ad espandersi
    indefinitamente ?

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           Vediamo solo in parte
           cio’ che ci circonda
n   C’e’ tutto un mondo di colori, ma i nostri occhi vedono
    solo una stretta banda
    n   Dal rosso al violetto nell’arcobaleno
    n   Ogni colore corrisponde a una diversa energia della luce
n   Anche i colori che non vediamo hanno nomi a noi
    familiari: ascoltiamo la radio, scaldiamo il cibo nel
    microonde, fotografiamo le nostre ossa mediante i
    raggi X...

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        E il resto ?

n   avete mai pensato che cosa accadrebbe se vedessimo
    solo il verde ?

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           L’universo
           che non vediamo
n   Quando si fa una foto si
    cattura la luce
    (anche l’immagine del
    telescopio, ingrandita, viene
    dalla luce visibile)
    n   Si puo’ mappare in falsi colori
        l’immagine di un “telescopio a
        raggi X”
n   L’elaborazione
    dell’informazione e’ cruciale
n   Superare la barriera
    dell’atmosfera e’ cruciale

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Transparenza dell’atmosfera

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         Conseguenza
         sulle tecniche

L’atmosfera e’ opaca per i γ
Solo rivelatori su satellite
possono rivelare γ primari

n   I flussi di fotoni di alta energia decrescono
    rapidamente con E
    => con le tecnologie attuali, fotoni VHE e UHE
    possono essere rivelati solo mediante sciami
    atmosferici

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          A terra superfici sempre piu’ grandi...

n   Auger Southern
    Observatory in Argentina

n   Nel 2003, 1600 rivelatori
    sparsi su 3000 km2 (un
    centesimo della
    superficie dell’Italia) - Un
    osservatorio
    complementare
    nell’emisfero nord ?

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         Puro e disposto a salire a le stelle

n   Per limitare gli effetti di
    diffusione dell’atmosfera,
    i nuovi telescopi vengono
    lanciati nello spazio
n   Misurare quanta materia
    c’e’ nell’Universo ci puo’
    chiarire il problema
    fondamentale : l’universo
    tornera’ indietro o
    continuera’ ad espandersi
    indefinitamente ?

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           Il satellite GLAST

                                                  Tracker
           (NASA)
n   Telescopio γ su satellite nel range
    20 MeV-300 GeV
    n   tracciatore ibrido + calorimetro                    Calorimeter
n   Collaborazione USA-Francia-Italia-
    Giappone-Svezia
    n   Esperienza in fisica delle particelle +
        astrofisica
n   Timescale: 2006-2010 (->2015)

n   Ampio spettro di obiettivi fisici:
    n   Astrofisica gamma
    n   Fisica fondamentale

A HEP / astrophysics partnership

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Lo strumento e’ ispirato alle tecniche della fisica delle particelle.
Utilizzando un know-how costruito in una pluriennale
collaborazione con il CERN di Ginevra e una preziosa
sinergia con Informatica, un gruppo del Dipartimento di
Fisica dell’Universita’ di Udine, con contributi importanti
da parte dell’INFN e dell’ASI, ha la responsabilita’
dell’event display e della simulazione e studia come
interpretare i segnali.

                                                                                    A. De Angelis 2000
                                                Come ci aspettiamo una mappa
                                                del cielo nello spettro dei raggi
                                                gamma dopo un anno di lavoro
                                                di GLAST. Al centro la Via
                                                Lattea, la nostra galassia.

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             Oggetti misteriosi:
             γ-ray bursts (Storia, I)
n   Un puzzle della fisica di oggi...
    n   Fine dei ’50 e primi anni ’60:
        l’Unione Sovietica guida
        l’esplorazione dello spazio
         n   1959: l’URSS manda un satellite sulla
             luna
         n   1961: l’URSS manda nello spazio il
             27enne Yuri Gagarin
    n   1963: l’aviazione USA lancia 2
        satelliti Vela per scoprire se I
        sovietici compiono esperimenti
        nucleare nello spazio o sulla luna
         n   Instrumentati con scintillatori NaI (Tl)

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         Oggetti misteriosi:
         γ-ray bursts (Storia, II)
n   1967 : viene osservata un’emissione
    anomala di raggi X e γ. Per pochi secondi,
    oscura tutte le sorgenti γ dell’Universo
    messe assieme. Poi scompare
    immediatamente. Un’altra nel 1969...
    Dopo studi attenti (!), viene esclusa
    l’origine umana
     n   I bursts non vengono dalle vicinanze della
         Terra
n   1973 (!) : L’osservazione e’ comunicata al
    mondo
n   Oggi abbiamo visto centinaia di gamma-
    ray bursts...

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Oggetti esotici

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Prima osservazione di un gamma-ray
burst ?

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          Un nuovo concetto: EUSO

n   L’atmosfera e’ il
    rivelatore ideale per i
    raggi cosmici di
    estrema energia e
    per i neutrini cosmici.
    L’idea rivoluzionaria
    di EUSO (2008-) e’ di
    guardare la luce di
    fluorescenza dall’alto

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         Dove a volte le cose ritornano...
n   EUSO cerca un sito di test a partire dal 2006 !

n   Ricordiamoci della
    generosita’ della SADE
n   Ringraziamenti a Guido
    Zago, Marcello Cresti

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          L’amor che move il sole e l’altre stelle

n   La fisica dei costituenti fondamentali si sta ponendo
    domande fondamentali:
    n   Quali forme di materia popolano l’Universo
    n   L’Universo tornera’ indietro ?

n   I grandi centri di ricerche (NASA, ESA, CERN, FNAL,
    SLAC, DESY…) sono impegnati a fondo

n   L’ateneo friulano e’ protagonista nella ricerca con le
    sue competenze sull’informatica e sull’analisi dei dati,
    e con i suoi giovani
n   Probabilmente il futuro sara’ astroparticellare, e le
    Dolomiti sono cosi’ vicine alle stelle...