Barbara Sciascia - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Barbara Sciascia - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
LNF - Open Day marzo 2011 Illustrazione di Agostino Iacurci Da qui al BB, anche perché la “grande scienza” entra qui e ora nelle nostre vite Da qui al Big Bang Barbara Sciascia - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

- Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011
Come e` nato l'Universo? NULLA Boom! QUALCOSA - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

A.Einstein Sono solo un uomo curioso... - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

“In science, you learn a kind of standard integrity and honesty, not commonly found in Washington” (R.P.Feynman) 28 gennaio La pulce sorda e lo scienziato As Feynman put it: “In science, you learn a kind of standard integrity and honesty,” not commonly found in Washington. The Space Shuttle Challenger disaster occurred on January 28, 1986, when Space Shuttle Challenger broke apart 73 seconds into its flight, leading to the deaths of its seven crew members. The spacecraft disintegrated over the Atlantic Ocean, off the coast of central Florida, United States at 11:39 a.m. EST (16:39 UTC). Disintegration of the entire vehicle began after an O-ring seal in its right solid rocket booster (SRB) failed at liftoff. The O-ring failure caused a breach in the SRB joint it sealed, allowing pressurized hot gas from within the solid rocket motor to reach the outside and impinge upon the adjacent SRB attachment hardware and external fuel tank. This led to the separation of the right-hand SRB's aft attachment and the structural failure of the external tank. Aerodynamic forces promptly broke up the orbiter. The crew compartment and many other vehicle fragments were eventually recovered from the ocean floor after a lengthy search and recovery operation. Although the exact timing of the death of the crew is unknown, several crew members are known to have survived the initial breakup of the spacecraft. However the shuttle had no escape system and the astronauts did not survive the impact of the crew compartment with the ocean surface. The disaster resulted in a 32-month hiatus in the shuttle program and the formation of the Rogers Commission, a special commission appointed by United States President Ronald Reagan to investigate the accident. The Rogers Commission found that NASA's organizational culture and decision-making processes had been a key contributing factor to the accident. NASA managers had known that contractor Morton Thiokol's design of the SRBs contained a potentially catastrophic flaw in the O-rings since 1977, but they failed to address it properly. They also disregarded warnings from engineers about the dangers of launching on such a cold day and had failed to adequately report these technical concerns to their superiors. The Rogers Commission offered NASA nine recommendations that were to be implemented before shuttle flights resumed. - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

Qui e la`- 1 Tycho Brhae e Johannes Kepler: Sole e pianeti Moto dei pianeti + Newton: primi risultati del metodo scientifico moderno. L’isola oggi e` svedese ma allora era del re della Danimarca; anche allora grandi opere per la scienza. Tycho (Tige) Brahe - signoria feudale dell’isola di Hven, accordatagli dal sovrano Federico II; Ai piani superiori erano situati gli strumenti per l’osservazione della volta celeste, il grande osservatorio chiamato “Stellaeburg” (castello delle stelle) - L’immutabilità del cielo era poi divenuta caratteristica sostanziale nella visione teologica dell’Universo nel Medioevo e quindi l’apparizione di una stella nova non poteva essere interpretata come un mutamento del cielo ma soltanto come un fenomeno prodotto all’interno delle sfere celesti (come i fulmini). La rivalutazione delle stelle novae come eventi celesti fu opera proprio di Tycho Brahe, che misurando le distanze nel cielo tra la stella nova che aveva osservato e le stelle della costellazione di Cassiopea per tutti i diciotto mesi in cui essa fu visibile, non ne rilevò alcuna variazione. - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

Qui e la`- 2 Tycho Brhae e Johannes Kepler: Sole e pianeti Illustrazioni di Agostino Iacurci Enorme salto intellettuale: generalizzazione della “legge fisica” Newton: la stessa legge per il Sole e gli oggetti nella mia mano! - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

Qui e la`- 3 Brhae e Kepler: Sole e pianeti Newton: la stessa legge per il Sole e gli oggetti nella mia mano! Albert Einstein: Relativita` generale Una variazione dello stato di moto delle masse determina una perturbazione delle proprietà geometriche dello Spazio-Tempo Queste perturbazioni della geometria, generate in prossimità delle masse che stanno cambiando il loro stato di moto, possono propagarsi nello Spazio-Tempo ==>> ONDE GRAVITAZIONALI Possiamo pensare alle onde gravitazionali come increspature nello spazio-tempo piatto Da wiki: Si conoscono molte possibili sorgenti di onde gravitazionali, tra le quali sistemi binari di stelle, pulsar, esplosioni di supernovae, buchi neri in vibrazione e galassie in formazione; per ognuna di queste fonti il tipo di segnale emesso dovrebbe possedere un “timbro” caratteristico che identifichi univocamente il tipo di fonte e la causa dell’emissione. - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

Relativita` speciale e generale
Tom-tom, GPS, traffico aereo; km da terra, km/h (periodo 12 ore); in ogni punto della terra da un minimo di 4 a un max di 12 satelliti sempre visbili; precisione singolo satellite ~1ns che implica 5-10 m a Terra in O(s) (con misure differenziali si arriva a precisioni di mm in O(1h) di misura). Dilatazione dei tempi per il satellite in moto relativo: piu` lenti di 7 \mus al giorno (rel.speciale); minor curvatura dello spazio tempo in quanto piu` lontani dalla terra: piu` veloci di 45\mus al giorno. La differenza di 38 \mus/giorno (38 milionesimi di s ma anche ns) ~10km/giorno di errore: la misua che fatta ieri mi indicava qua, fatta oggi mi porrebbe da qualche parte dall’altra parte di Roma. La correzio per rel. gen. e` fatta rallentando gli orologi sui satelliti, quella per rel. spec. e` fatta dal singolo ricevitore GPS in base alla sua velocita` relativa rispetto al satellite. - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

Hubble: Galassie: isole nell’Universo Hubble (avvocato o astronomo?). Sorpresa 1: esistono le galassie L’idea che esistono piu` galassie (isole nell’Universo) e` recente (1929) Stelle Cefeidi (Henrietta Leavitt) misuratori di distanza + luce spostata verso il rosso. Cercare un modello per spiegare, la luce diversa delle varie galassie era diversa da quanto previsto dalla TEORIA sulle stelle “Tutto si allontana da tutto” -> palloncino Edwin Hubble - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

Arno Penzias e Robert Wilson Si parte da “cose minime” (il disturbo alla Bell, la cacca di piccione) e si arriva a scoprire/misurare/capire come e` nato l’Universo… Working at Bell Labs in Holmdel, New Jersey, in 1964, Arno Penzias and Robert Wilson were experimenting with a supersensitive, 6 meter (20 ft) horn antenna originally built to detect radio waves bounced off echo balloon satellites. To measure these faint radio waves, they had to eliminate all recognizable interference from their receiver. They removed the effects of radar and radio broadcasting, and suppressed interference from the heat in the receiver itself by cooling it with liquid helium to −269 °C, only 4 °C above absolute zero. Robert Wilson stesso dice: “Questo segnale è simile ad un rumore del tutto casuale, un rumore simile a quello che sentiremmo se sintonizzassimo la televisione o la radio su una frequenza vuota. Noi non sentivamo quello che ci aspettavamo, soprattutto l’antenna captava molto più segnale del previsto. La nostra ipotesi fu che il rumore veniva prodotto da un guasto o da una fonte di disturbo.” Cos’è questo strano rumore e da dove viene? E’ un’interferenza prodotta dal frastuono della vicina New York? Un segnale aereo? Il guano che i piccioni rilasciano dentro l’antenna? Robert Wilson: “Qualunque cosa fosse il segnale, doveva avere una fonte, non eravamo mai a corto d’idee su quale potesse essere.” In realtà la misteriosa radiazione proviene da tutte le direzioni, da ogni angolo dello spazio più remoto… per Penzias e Wilson è un’idea folle, ma hanno appena scoperto ciò che Dicke ed i suoi colelghi stanno cercando, e che Gamow, Alpher e Lamaître hanno teorizzato. Hanno trovato la prova che dimostra che l’Universo non è eterno! La fonte era l’origine dell’Universo, il Big Bang. Penzias & Wilson, ed il gruppo di Princeton pubblicano le loro scoperte in due articoli sull’Astrophysical Journal, nel 1965; in questo modo, demoliscono in un sol colpo la Teoria dello stato stazionario di Hoyle e finalmente al Big Bang viene riconosciuto il suo posto nel puzzle dell’Universo. Like many of science's greatest discoveries, the one that earned Arno Penzias his Nobel Prize was an event of pure serendipity. While tuning a small, yet very powerful and highly sensitive horn antenna for conducting radio astronomy experiments, Arno Penzias and Robert Wilson noted a constant low level noise disrupting their reception. Despite their efforts, Penzias and Wilson could not find any evidence of malfunction in their equipment. Further, the static persisted regardless of the direction the antenna was pointing. As they continued their investigation, Penzias and Wilson came to realize that they had stumbled onto the most conclusive evidence to date supporting the Big Bang Theory. Penzias and Wilson's discovery was the watershed providing the critical evidence for a theory first developed by George Henri Lemaitre and Edwin Hubble in the 20s and the 30s. Basing his study upon well-established mathematical principles, Lemaitre proved that Einstein's theory of general relativity was incorrect in asserting that the universe was static and that a better model could be constructed based upon the theory of an expanding universe. Observational data was provided by Hubble, who in 1929 announced that galaxies could be measured moving away from our own. Lemaitre thus speculated that the universe must have been created by the explosion of some original atom, in a "big bang." - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

WMAP: l’universo quando aveva anni. Oggi ha 13 miliardi e 700 milioni di anni Qui, ora 13.7 miliardi di anni luce Universo primordiale / = 2.2 x 10^{-5} . E` come avere la foto di un uomo che oggi ha 62 anni e mezzo, quando aveva solo 12 ore. Il problema e` che “tutto o quasi” e` successo prima. E` un po’ come dire che i geni ci dicono tutto o quasi di una persona ma non sono visibili nella foto fatta a 12 ore, e` necessario andare piu` lontano, in laboratorio... Qui, ora 8 minuti luce Sole - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

Scoperta dell’antimateria
Anderson Scoperta dell’antimateria x2 = 4 Dirac Dirac, nobel 1933 a 31 anni; Anderson, nobel 1936 a 31 anni! - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

Positron Emission Tomography (PET)
Courtesy of Siemens Positron-emission tomography is a non-invasive functional imaging method mainly used in neuroscience, cardiology and oncology. A radiopharmaceutical labelled with a positron-emitting isotope is administered to the patient intravenously or by inhalation. A positron-emission tomography is used to follow the pathways of the radiopharmaceutical.(…) PET turns out to be very important for monitoring and controlling endo-radionuclide therapy. The pathways and accumulation of therapeutic radio-nuclides usually cannot be monitored satisfactorily in vivo in order to determine real radiation doses deposited in tumour tissue. Positron emitting isotopes of the same element used for therapy, however, can provide this important information. or example, a compound labelled with the beta-emitting isotope l53Sm is a promising candidate for palliative treatment of bone metastasis. PET, using the exotic positron emitter l42Sm, provides an individual quantitative measurement of radioactivity uptake in the lesions, allowing for the precise monitoring of the radiation dose applied with l53Sm - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

PET Photo Researchers, Inc. - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

Tac e RM: informazioni morfologiche; PET informazioni fisiologiche. Si usano molecole attivate, attive a licello metabolico RMN RMN + PET PET - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

Ostinatamente curiosi… Leonardo da Vinci (Royal library Windsor) - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

Centro Nazionale Adroterapia Oncologica Alex: A boy of five has become the first British child to undergo a revolutionary procedure to cure a brain tumour. But Alex Barnes had to travel to the U.S. to undergo proton therapy treatment, which is unavailable here. He was given the all-clear last week, after six weeks of treatment which cost his family £100,000. Now his mother is urging the Government to follow the U.S. and other countries and bring the life-saving treatment to the UK. Read more: Il CNAO (quarto centro al mondo -dopo USA, Germania e Giappone- per cura dei tumori mediante adroterapia) si prefigge lo scopo di curare i pazienti affetti da tumori solidi (in particolare testa-collo) mediante l'uso di fasci di protoni e ioni carbonio: Si tratta di particelle denominate adroni, da cui il nome di adroterapia. Nello stesso tempo effettuerà ricerca scientifica per individuare strumenti sempre più efficaci nella lotta contro il cancro. In altri termini, il CNAO opererà a due livelli: presterà assistenza medica diretta ai malati di cancro e farà ricerca clinica e radiobiologia. Il centro funzionerà con prestazioni di carattere ambulatoriale; non sono previsti servizi di assistenza in regime di ricovero ordinario. SOBP=Spread Out Bragg Peak - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

Nascita INFN 1951 4 Sezioni universitarie Milano, Torino, Padova, e Roma 1957 Laboratori Nazionali di Frascati Frascati Da sinistra Oscar D'Agostino, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Franco Rasetti ed Enrico Fermi - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

Gran Sasso Legnaro VIRGO-EGO European Gravitational Observatory 19 Sezioni 11 Gruppi collegati 4 Laboratori Nazionali Laboratori del Sud (Catania) Con il passare degli anni sono nate sezioni dell’INFN presso quasi tutti I dipartimenti di Fisica delle Universita’ italiane  possibilita’ tecnica e logistica per coloro che vogliono fare ricerca di fisica nei “campi propri dell’INFN” Sono nati, oltre I LNF, altri 3 Laboratori Nazionali Legnaro: fisica dei nuclei pesanti, studio della struttura nucleare, onde gravitazionali (Auriga = Nautilus) Laboratori del Sud (Catania): fisica nucleare fondamentale, studio di tecniche di conservazione e restauro dei beni artistici. Gran Sasso: esperimenti di fisica passiva: studio di raggi cosmici e proprieta’ dei neutrini. Virgo: progetto speciale dell’INFN in collaborazione con il corrispondente ente di ricerca francese, per la ricerca e lo studio delle onde gravitazionali. Il bilancio annuale dell’INFN e’ dello stesso ordine di grandezza della F.C. Juventus. - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

Il World Wide Web (www) Nel 1990 al CERN nasce il WWW: sistema originalmente concepito per condivdere informazioni tra ricercatori di differenti Laboratori e Università impegnati negli stessi progetti scientifici; OGGI HA MILIONI DI UTENTI SCIENTIFICI E COMMERCIALI IN TUTTO IL MONDO In 1989, CERN was the largest Internet node in Europe, and Berners-Lee saw an opportunity to join hypertext with the Internet: "I just had to take the hypertext idea and connect it to the Transmission Control Protocol and domain name system ideas and — ta-da! — the World Wide Web."[6] He wrote his initial proposal in March 1989, and in 1990, with the help of Robert Cailliau, produced a revision which was accepted by his manager, Mike Sendall. He used similar ideas to those underlying the Enquire system to create the World Wide Web, for which he designed and built the first web browser and editor (WorldWideWeb, running on the NeXTSTEP operating system) and the first Web server, CERN HTTPd (short for HyperText Transfer Protocol daemon). - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

Quanto costa la ricerca in fisica delle alte energie?
INFN per un anno: 260 milioni di euro Bombardiere B-2B (stealth): ~2 miliardi di euro Lancio di 1 space shuttle: ~400 milioni di euro costruzione: ~4 miliardi di euro Stazione Spaziale Internazionale: ~40 miliardi di euro - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

“In science, you learn a kind of standard integrity and honesty, not commonly found in Washington” R.P.Feynman - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

Qualcosa in piu`…. - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

103 109 10-6 10-9 “Numeri-cucciolo” 1 seguito da 3 zeri: 1 000 (mille)
(un miliardo) 10-6 l’1 e’ al sesto posto dopo la virgola: 0, (un milionesimo) 10-9 l’1 e’ al nono posto dopo la virgola: 0, (un miliardesimo)

Riconoscere gli eventi
Fotoni  Elettroni  Muoni  Pioni  Neutroni  - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

come “vedere” le cose… L’atomo di Rutherford The Geiger(a sx nella foto)–Marsden experiment (also called the Gold foil experiment or the Rutherford experiment(a dx nella foto)) was an experiment to probe the structure of the atom performed by Hans Geiger and Ernest Marsden in 1909,[1] under the direction of Ernest Rutherford at the Physical Laboratories of the University of Manchester. - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

“Vedere” le onde gravitazionali Una variazione dello stato di moto delle masse determina una perturbazione delle proprietà geometriche dello Spazio-Tempo Queste perturbazioni della geometria, generate in prossimità delle masse che stanno cambiando il loro stato di moto, possono propagarsi nello Spazio-Tempo ==>> ONDE GRAVITAZIONALI: Possiamo pensare alle onde gravitazionali come increspature nello spazio-tempo piatto - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

Rivelatori: alla ricerca di tracce…
- Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

“Angeli e Demoni” Creazione di atomi di anti-materia: la prima volta 9 atomi in 3 settimane, oggi decine di migliaia al giorno. 10 milioni di miliardi di volte per riempire un palloncino (cioe` molti miliardi di anni) Potere distruttivo: con 0.5 g di anti-materia stesso effetto di una bomba nucleare da 20 kton, ma ci metteremmo miliardi di anni per produrla… e` poco probabile che chiunque voglia aspettare cosi` a lungo. Costi: l’anti-materia ha solo 1 decimiliardesimo dell’energia usata per produrla. Tutta l’anti-materia finora prodotta al CERN potrebbe fornire energia per una lampadina per pochi minuti. How is antimatter contained? It is very difficult to contain antimatter, because any contact between a particle and its anti-particle leads to their immediate annihilation. For electrically charged antimatter particles we know how to contain them by using ‘electromagnetic traps’. These traps make it possible to contain up to about 1012 (anti-) particles of the same charge. However, like charges repel each other. So it is not possible to store a much larger quantity of e.g. antiprotons because the repulsive forces between them would become too strong for the electromagnetic fields to hold them away from the walls. For electrically neutral anti-particles or anti-atoms, the situation is even more difficult. It is impossible to use constant electric or magnetic fields to contain neutral antimatter, because these fields have no grip on the particles at all. Scientists work on ideas to use ‘magnetic bottles’ (with inhomogeneous magnetic fields acting on the magnetic moment), or ‘optical traps’ (using lasers) but this is still under development. What is the future use of antimatter? Anti-electrons (positrons) are already used in PET scanners in medicine (Positron-Emission Tomography = PET). One day it might be even possible to use antiprotons for tumour irradiation. But antimatter at CERN is mainly used to study the laws of nature. We focus on the question of the symmetry between matter and antimatter. The LHCb experiment will compare precisely the decay of b-quarks and anti-b-quarks. Eventually we also hope to be able to use anti-hydrogen atoms as high-precision tools. first anti-hydrogen atoms in Then, in 2002 two experiments (ATHENA and ATRAP) managed to produce tens of thousands of antihydrogen atoms, later even millions. However, although "tens of thousands" may sound a lot, it's really a very, very small amount. You would need 10,000,000,000,000,000 (10 milioni di miliardi di volte) times that amount to have enough anti-hydrogen gas to fill a toy balloon! If we could somehow store our daily production, it would take us several billion years to fill the balloon. But the universe has been around for only 13.7 billion years...So the Angels and Demons scenario is pure fiction The inefficiency of antimatter production is enormous: you get only a tenth of a billion (10-10) of the invested energy back. If we could assemble all the antimatter we've ever made at CERN and annihilate it with matter, we would have enough energy to light a single electric light bulb for a few minutes. Can we make antimatter bombs? No. It would take billions of years to produce enough antimatter for a bomb having the same destructiveness as ‘typical’ hydrogen bombs, of which there exist more than ten thousand already. Sociological note: scientists realized that the atom bomb was a real possibility many years before one was actually built and exploded, and then the public was totally surprised and amazed. On the other hand, the public somehow anticipates the antimatter bomb, but we have known for a long time that it cannot be realized in practice. How safe is antimatter? Perfectly safe, given the minute quantities we can make. It would be very dangerous if we could make a few grams of it, but this would take us billions of years Does one gram of antimatter contain the energy of a 20 kilotonne nuclear bomb? Twenty kilotonnes of TNT is the equivalent of the atom bomb that destroyed Hiroshima. The explosion of a kilotonne (=1000 tonnes) of TNT corresponds to a energy release of 4.2x1012 joules (1012 is a 1 followed by 12 zeros, i.e. a million million). For comparison, a 60 watt light bulb consumes 60 J per second. You are probably asking for the explosive release of energy by the sudden annihilation of one gram of antimatter with one gram of matter. Let's calculate it. To calculate the energy released in the annihilation of 1 g of antimatter with 1 g of matter (which makes 2 g = 0.002 kg), we have to use the formula E=mc2, where c is the speed of light (300,000,000 m/s): E= x (300,000,000)2 kg m2/s2 = 1.8 x 1014 J = 180 x 1012 J. Since 4.2x1012 J corresponds to a kilotonne of TNT, then 2 g of matter-antimatter annihilation correspond to 180/4.2 = 42.8 kilotonnes, about double the 20 kt of TNT. This means that you ‘only’ need half a gram of antimatter to be equally destructive as the Hiroshima bomb, since the other half gram of (normal) matter is easy enough to find. At CERN we make quantities of the order of 107 antiprotons per second and there are 6x1023 of them in a single gram of antihydrogen. You can easily calculate how long it would take to get one gram: we would need 6x1023/107=6x1016 seconds. There are only 365 (days) x 24 (h) x 60 (min) x 60 (sec) = around 3x107 seconds in a year, so it would take roughly 6x1016 / 3x107 = 2x109 = two billion years! It is quite unlikely that anyone wants to wait that long. - Barbara Sciascia (INFN) -LNF Open Day 2011, 28 marzo 2011

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