PARTICELLE INVISIBILI - numero 31

POSTE ITALIANE S.P.A. – SPEDIZIONE IN ABBONAMENTO POSTALE – 70% NE/PD € 21,00 - copia singola € 8,50 Autorizzazione del Tribunale di Padova numero 4093 del 21 novembre 2013 ISSN 2284-0761 - ISBN 978 88 5495 705 3 - Numero 31 - Quadrimestrale Febbraio 2024 / Maggio 2024

NUMERO

31

31_ita.indd 1

www.planck-magazine.it

E L L E C I T R A P LfisIica I Ie B IopS INV sc ert della Storie e che studia l’invisibile

AL CENTRO UN GIO : DA STA CO C E TAGL CARE IARE IN COLLAB O ZIONE RACON INFN K IDS

09/01/2024 17:34:45

IN QUESTO NUMERO: › › ›

04 La nostra squadra 10 Verso una nuova fisica 16 Una continua scoperta per gli occhi e per le idee

Dossier: A CACCIA DI PARTICELLE! › 24 A tu per tu con le particelle › 30 Quando tutto cominciò › 32 Studiare le particelle: un lavoro di squadra per risolvere profondi misteri › 36 Particelle dal cosmo › › › › › ›

44 Storia di una famosa particella 46 A caccia di particelle 52 Max Planck: un’idea rivoluzionaria 54 Enigmi da risolvere: intervista a Giuliana Galati 56 Energia nucleare 58 L’universo… in scala

Rubriche › 18 Spazi per particelle: la photogallery › 22 Scienza da leggere › 43 Collabora con noi! › 60 Piccoli collaboratori › 62 Lo chiediamo a voi! › 63 Parole di scienza Fumetto › 05 Le avventure di Marie e Max: Intrecci inaspettati Storia della scienza › 48 Il NO alla bomba atomica e il Nobel mancato › 49 Particelle piccole e indivisibili: le grandi scoperte di gruppo degli atomisti Tocca a te! Esperimenti e giochi... › 28 Minestrone di particelle › 50 Che particella sei?

!

P La NC K

15

7

57

19

6

PLaNCK! è un progetto dell’associazione Accatagliato via S. Sofia 5 - 35121 Padova www.accatagliato.com accatagliato.info@gmail.com

Stampatore ed editore

CLEUP sc “Coop. Libraria Editrice Università di Padova” via Belzoni 118/3 - 35121 Padova tel. 049 8753496 www.cleup.it - www.facebook.com/cleup ISSN 2284-0761 ISBN 978 88 5495 705 3 ©2024 Accatagliato Tutti i diritti riservati www.planck-magazine.it redazione@planck-magazine.it

Comitato Scientifico (Università degli Studi di Padova) Coordinatrice: dott.ssa Marta Carli

Dipartimento di Fisica e Astronomia prof. Alberto Carnera, prof.ssa Ornella Pantano, prof. Giulio Peruzzi, prof.ssa Cinzia Sada, prof. Antonino Milone Dipartimento di Scienze Chimiche dott. Massimo Bellanda, dott.ssa Laura Orian, dott. Giacomo Saielli, dott.ssa Elisabetta Schievano

Redazione

Coordinatrice editoriale: Agnese Sonato Direttore Responsabile: Andrea Frison Redazione: Agnese Sonato, Marta Carli, Sarah Libanore, Martina Tardivo, Marco Barbujani, Francesco Zani, Bianca Maria Scotton, Serena Maule, Laura Paneghetti, Andrea Frison

UN PICCOLISSIMO MONDO PER CAPIRE L’UNIVERSO E se la chiave per capire l’Universo fosse… dentro gli atomi? Certo, direte voi, perché gli atomi sono le parti più piccole di tutto ciò che esiste. E invece no. Leggendo questo numero di Planck! scoprirete che c’è molto di più.

Intanto, dentro gli atomi ci sono altre particelle, e dentro alcune di queste altre ancora, così piccole che non sono visibili neanche con il più potente dei microscopi: possiamo accorgerci di loro solo quando interagiscono con qualcos’altro, liberando energia.

E poi, queste particelle funzionano in modo bizzarro, del tutto diverso dai fenomeni che osserviamo tutti i giorni. Eppure, sono proprio questi comportamenti un po’ strani che spiegano nel miglior modo possibile tutto ciò che vediamo nel nostro Universo e… tutto ciò che non vediamo! È un viaggio che a tratti ci potrà far girare la testa: non preoccupatevi, è successo anche alle scienziate e agli scienziati che, nel Novecento, hanno fatto un poco alla volta queste scoperte. Si sono lasciati sorprendere e ne è valsa la pena: il mondo che hanno iniziato a svelare è davvero entusiasmante, e abbiamo appena iniziato a esplorarlo.

Andrea Frison

Fumetto Disegnatrice e colorist: Bianca Maria Scotton Assistente colorist: Gioia Beghin Sceneggiatrici: Bianca Maria Scotton e Agnese Sonato Illustrazione di copertina Sofia Poiana Layout Progetto grafico e impaginazione: Francesco Zani Testata: Stefano Pozza Segreteria di redazione e pubbliche relazioni: Serena Maule, Martina Tardivo, Sarah Libanore

In questo numero...

Autori e autrici dei testi: Marta Carli, Sarah Libanore, Sofia Poiana, Agnese Sonato, Martina Tardivo, Ilaria Ampollini, Pamela Pergolini, Christian Castagna, Eleonora Vanzan

Versione inglese: Silvia Libanore

3 31_ita.indd 3

09/01/2024 17:34:47

Marie e Max:

INTRECCI INASPETTATI

,

.

5 31_ita.indd 5

09/01/2024 17:34:50

VERSO UNA NUOVA FISICA

di Agnese Sonato (redazione)

Cos’è un fulmine? Cos’è l’arcobaleno? Perché il fuoco riscalda? Come mai la palla rimbalza? Ecco alcune domande sul mondo in cui viviamo e a cui la fisica ci aiuta a rispondere. La fisica, infatti, insieme all’astronomia, è una delle scienze più antiche ed è nata proprio dalla curiosità dell’essere umano nel cercare di comprendere la natura. Tanti sono stati i fisici e le fisiche che, fin dall’antichità, hanno dato un contributo a tutto quello che oggi sappiamo del mondo, anche se abbiamo ancora molto da scoprire!

A volte la fisica si occupa di oggetti e fenomeni che sono visibili a occhio nudo e che possiamo talvolta anche toccare. Altre volte, invece, la fisica studia oggetti e fenomeni… invisibili. E per arrivare a “studiare l’invisibile” ci sono voluti tantissimi secoli e scoperte che hanno portato scienziate e scienziati a vedere il mondo con occhi diversi. E tra la fine del 1800 e l’inizio del 1900 sono stati fatti tantissimi passi avanti proprio nello “studio dell’invisibile”.

Andiamo a scoprire alcune grosse scoperte di quel periodo storico!

I RAGGI X Nel 1895 il fisico tedesco Wilhelm Röntgen scoprì che esisteva una radiazione invisibile a occhio nudo (non come la luce bianca del Sole che è visibile ai nostri occhi). Questa radiazione era in grado di penetrare attraverso molti materiali e solo un materiale, il piombo, era in grado di bloccarla. Scoprì anche che se quella radiazione colpiva una lastra fotografica, la lastra veniva impressionata anche se era coperta da un cartoncino. Röntgen si rese conto che i raggi che stava usando erano del tutto nuovi e proprio perché ancora sconosciuti volle chiamarli “raggi X”.

Wilhelm Conrad Röntgen

LA RADIOATTIVITÀ Una grandissima scoperta di quest’epoca è stata quella della radioattività, un fenomeno che riguarda gli atomi di alcuni elementi chimici.

Alcuni elementi, infatti, sono instabili e tendono a “decadere”, trasformandosi in altri elementi più stabili. La radioattività può essere qualcosa che c’è già in natura oppure può essere un fenomeno che l’essere umano provoca con particolari tecniche.

Nel primo caso si ha la radioattività naturale, nel secondo la radioattività artificiale.

10 31_ita.indd 10

09/01/2024 17:34:55

PHOTOGALLERY: SPAZI PER PARTICELLE usati In queste pagine puoi vedere due fotografie che mostrano spazi grandi da scienziate e scienziati per studiare le particelle e condividere i passi che vengono fatti in questi studi.

18 31_ita.indd 18

09/01/2024 17:35:08

DOSSIER

A CACCIA DI PARTICELLE! Quali particelle esistono? Da dove vengono?

E come fanno scienziati e scienziate a studiarle?

In questo dossier ci addentriamo nel mondo delle particelle per rispondere a tutte queste domande, anche se... molto su questi argomenti è ancora da scoprire ed è ogni giorno una sorpresa!

23 23 31_ita.indd 23

09/01/2024 17:35:13

DOSSIER

IL MODELLO STANDARD 25 31_ita.indd 25

09/01/2024 17:35:15

QUANDO TUTTO COMINCIÒ

di Eleonora Vanzan (dottoranda in Fisica all’Università di Padova)

«Siamo figli delle stelle» cantava Alan Sorrenti negli anni Settanta del 1900.

Ma è proprio così? Da dove arrivano le particelle che compongono il corpo umano e tutta la materia che osserviamo?

La nascita delle particelle è un viaggio che ci porta molto indietro nel tempo e lontano nello spazio. La temperatura nello spazio oggi è bassissima: meno 270,4 gradi centigradi, cioè circa duecento settanta gradi sotto zero.

Miliardi di anni fa, però, l’Universo era molto più caldo. A temperature più alte corrispondono energie maggiori e, quando l’energia aumenta, si possono formare nuove particelle.

Cosa avremmo trovato nell’Universo miliardi di anni fa, cioè nell’Universo primordiale?

Immediatamente dopo il Big Bang (un millesimo di miliardesimo di secondo!), l’Universo era riempito da un plasma fatto di quark e gluoni: si tratta di particelle che sulla Terra possiamo osservare solo per brevissimi istanti all’interno degli acceleratori di particelle. Con il passare del tempo, l’Universo primordiale si è raffreddato a sufficienza da permettere ai quark di legarsi e formare protoni, neutroni e altre particelle. Questo processo viene chiamato “bariogenesi” ed è stato velocissimo: dopo solo un secondo dal Big Bang, l’Universo si era già trasformato.

“Bariogenesi” deriva dalle parole greche “barýs”, cioè pesante, e “génesis”, cioè nascita. Bariogenesi dunque significa “nascita delle particelle pesanti”.

30 31_ita.indd 30

09/01/2024 17:35:19

STUDIARE LE PARTICELLE: UN LAVORO DI SQUADRA PER RISOLVERE PROFONDI MISTERI Abbiamo intervistato il professor Antonio Zoccoli, il Presidente dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, per capire cosa si studia nei laboratori dell’istituto, chi ci lavora e quali sono i misteri ancora aperti nello studio delle particelle.

Cos’è l’INFN e com’è nato?

L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare è nato più di 70 anni fa ed è stato fondato da Edoardo Amaldi, uno scienziato che faceva parte dei “ragazzi di via Panisperna”, un gruppo di scienziati e giovani nato da un’idea del fisico Enrico Fermi, che prima della seconda guerra mondiale studiava per cercare di capire come fosse fato il nucleo di un atomo. Da qui viene la parola “nucleare” nel nome dell’istituto, proprio perché da lì si è sempre cercato di capire qualcosa in più sui nuclei degli atomi: sulle particelle che li formano (protoni, neutroni) e su come si comportano.

La storia dell’INFN poi prosegue portando alla scoperta di componenti della materia come quark, neutrini, elettroni e di altre particelle che nel momento della nascita dell’istituto neanche si pensava potessero esistere. Negli anni Ottanta del 1900 Carlo Rubbia scoprì alcuni bosoni fondamentali per proseguire con gli studi e poi nel 2012 fu scoperto il bosone di Higgs, l’ultimo mattoncino che mancava per avere un’idea di com’è fatta la materia.

“Istituto Nazionale di Fisica Nucleare” si abbrevia con “INFN” che si legge “i enne ef fe enne”.

Antonio Zoccoli

I ragazzi di Via Panisperna, a Roma.

Da sinistra si vedono: Oscar D’Agostino, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Franco Rasetti ed Enrico Fermi.

32 31_ita.indd 32

09/01/2024 17:35:21

PARTICELLE DAL COSMO

di Sarah Libanore (redazione)

Alla scoperta di com’è fatto l’Universo... con le particelle!

Ma davvero le stelle sono fatte delle stesse particelle che formano i nostri corpi? Come facciamo ad esserne sicuri?

Studiare le particelle che si trovano nello spazio sembra una cosa difficilissima, potrebbe essere il racconto di un romanzo di fantascienza! Eppure, anche se non possiamo andare nello spazio e fare esperimenti direttamente da lassù, siamo riusciti a trovare dei metodi davvero geniali per scoprire cosa si nasconde nello spazio.

Partiamo dagli elementi chimici: idrogeno, elio, ossigeno... I loro atomi sono così piccoli che, anche per riconoscerli in un laboratorio, non basta il microscopio. Una delle tecniche che si possono utilizzare per “vedere” gli atomi si chiama “spettroscopia”. La spettroscopia è basata sull’idea che, all’interno degli atomi, gli elettroni possano trovarsi solo in certi livelli di energia e che però possano muoversi tra i vari livelli. Ad esempio, in certi casi e per certi materiali, gli elettroni possono scendere da un livello più alto per raggiungere un livello più basso: quando scendono emettono energia sottoforma di luce.

Gli elettroni dentro l’atomo possono muoversi tra i vari livelli “scendendo” come se fossero sui gradini di una scala. Ogni volta che l’elettrone “scende” uno di questi gradini, viene emesso un fotone!

PAROLE DI SCIENZA (PAGINA 63) SPETTRO ELETTROMAGNETICO

Immaginiamo di prendere un gas fatto di un solo tipo di atomi, caldo e poco denso. Se il gas è caldo, allora vuol dire che alcuni degli elettroni dei suoi atomi possono “scendere” dai livelli dove si trovano a livelli più bassi, emettendo luce. E se guardiamo questa luce... scopriamo che contiene solo alcuni dei colori dello spettro elettromagnetico! Ogni tipo di atomo ha i propri colori specifici, quindi guardando con strumenti speciali i diversi colori, si può capire di che atomi è fatto il gas.

36 31_ita.indd 36

09/01/2024 17:35:32

LA SCIENZIATA

di Ilaria Ampollini (Storica della scienza, Università degli Studi di Milano Statale)

IL NO ALLA BOMBA ATOMICA E IL NOBEL MANCATO Nome:

Lise Meitner Nascita: 1878 Morte: 1968 Nazionalità: austria ca

LA BOMBA ATOMICA

L’utilizzo della bomba atomic a, con cui gli Stati Uniti d’America colpirono il Giappone nel 1945, è uno degli eventi più tragici del la storia dell’umanità. Una bomba fu sganciata sulla città di Hiroshima e un’altra su Nagasaki: la potenz a spr igionata fu enorme e ci furono centinaia di migliaia di morti.

L’ “EFFETTO MATILDA” Spesso nel corso della storia (e a volte, purtroppo, ancora oggi) sono stati dati premi per un grande successo nella scienza solo a uomini e non a donne che hanno lavorato con loro per raggiungere quel successo. A questo è stato dato un nome: “effetto Matilda”. Il nome è per ricordare Matilda Joslyn Gage, una donna degli Stati Uniti d’America che ha lottato per i diritti delle donne, in particolare per il loro diritto a votare.

Parlare della vita e delle ricerche di Lise Meitner significa parlare non solo di una eccezionale scienziata, ma anche della Seconda Guerra Mondiale e del Premio Nobel. Significa parlare di particelle minuscole, come i neutroni e i protoni, e di eventi enormi e tragici, come l’invenzione della bomba atomica. Cerchiamo di capire perché. Lise nacque a Vienna, in Austria, nel 1878, in una famiglia di origini ebraiche; fu la terza di sette fratelli. Pur essendo donna, nel 1901 Meitner riuscì a entrare all’Università di Vienna, dove studiò fisica con Ludwig Boltzmann, uno dei più importanti fisici nella storia della scienza. Lise si spostò poi a Berlino, dove seguì le lezioni del fisico Max Planck e iniziò a fare ricerca sulla radioattività, assieme al chimico Otto Hahn. Lise e Otto lavorarono insieme per trent’anni. Nel frattempo, Hitler salì al potere e le leggi contro gli ebrei costrinsero Lise a rifugiarsi a Stoccolma, in Svezia. Questo non impedì a Lise e a Otto di continuare i loro esperimenti, incontrandosi segretamente a Copenaghen.

Meitner era una talentuosa fisica e Otto Hahn un bravissimo chimico: unendo le competenze, i due arrivarono a comprendere il fenomeno della fissione nucleare. Si ha una fissione nucleare quando si riesce a dividere il nucleo di un elemento, colpendolo con dei neutroni: l’equilibro dell’elemento si rompe, i neutroni si separano dai protoni e si scatena un’energia particolarmente potente. Purtroppo, il processo della fissione è anche la base per la bomba atomica. Quando, durante la Seconda Guerra Mondiale, iniziò il progetto per la costruzione della bomba, cioè il “Progetto Manhattan”, Meitner si rifiutò di partecipare. Nel 1944, Otto Hahn ricevette il Premio Nobel per la Chimica, proprio per i suoi studi sulla fissione nucleare. A Lise, invece, non venne dato nessun premio anche se il suo contributo era stato fondamentale. Nel 1966, le fu finalmente assegnato il premio Enrico Fermi. Nel 1997, un nuovo elemento fu chiamato “meitnerium” in suo onore.

Lise Meitner e Otto Hahn nel laboratorio.

48 31_ita.indd 48

09/01/2024 17:36:59

CHE PARTICELLA SEI? di Agnese Sonato (redazione)

Sei un elettrone? Oppure un neutrino elettronico, un quark up o ancora il bosone di Higgs? Scoprilo con questo divertente test!

PARTI DA QUI!

PENSI CHE LA FESTA ANDRÀ BENE?

1. Ti piace stare da subito insieme agli altri partecipanti.

1. Non lo so. A volte parto un po’ negativo/a e ho dei dubbi, ma gironzolo un po’ guardando che succede e alla fine cerco sempre di divertirmi

2. Stai da solo almeno un po’

2. A volte sì, a volte no

SEI A UNA FESTA E...

PERCHÉ?

1. Perché mi piace stare un po’ nascosto/a e farmi trovare dopo gli altri, lasciando tutti sulle spine per un po’.

2. Perché di sì, a me piace anche stare un po’ da solo/a

PAROLE DI SCIENZA (PAGINA 63) RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA

50 31_ita.indd 50

09/01/2024 17:37:01

MAX PLANCK: UN’IDEA RIVOLUZIONARIA di Marta Carli (redazione)

Alle soglie del 1900, la fisica sembra non avere più segreti. Anche la natura della luce, uno dei più grandi temi di discussione nella scienza, è stata spiegata da Maxwell in modo molto elegante.

Eppure, alcune cose non tornano. Una di queste riguarda i cosiddetti “corpi neri”. Gli scienziati hanno osservato la luce emessa dai corpi neri con tanti esperimenti, ma non trovano una teoria che li spieghi in modo soddisfacente. Tra coloro che studiano questo problema c’è Max Planck, un fisico della Germania.

Planck prova ad affrontare la questione usando diversi approcci della fisica, ma non funzionano. Dopo anni di quello che definì “il più strenuo lavoro della sua vita”, si “arrende” agli esperimenti e decide di abbandonare le vecchie tecniche per formulare un’ipotesi completamente nuova. Secondo Planck, la radiazione elettromagnetica che compone la luce può essere emessa solo in “pacchetti”, che da allora in poi saranno chiamati “quanti”. Per descriverli matematicamente introduce una nuova costante fondamentale. Lui la chiama “quanto d’azione”, ma da quel momento in poi tutti la chiameranno “costante di Planck”.

Ma cosa sono questi quanti? Cosa rappresentano? Questo è ancora tutto da spiegare...

CORPO NERO Un “corpo nero” è un oggetto che assorbe tutti i colori della luce e li riemette, ciascuno con un’intensità che dipende dalla temperatura del corpo nero. Esempi di corpi neri sono i forni e le stelle.

52 31_ita.indd 52

09/01/2024 17:37:03

ENIGMI DA RISOLVERE: IL LAVORO NELLA FISICA DELLE PARTICELLE TRA DOMANDE, CURIOSITÀ E VIAGGI Giuliana Galati si occupa di fisica delle particelle e con lei abbiamo parlato di come funziona il suo lavoro e di che cosa le piace di più di quello che fa. Giuliana si occupa anche di raccontare la scienza a ragazzi, ragazze e famiglie. Infatti ha fatto parte del programma SuperQuark+ e Noos, il programma che Alberto Angela ha condotto su RAI 1 che si può rivedere su RaiPlay.

Che lavoro fai e cos’hai studiato per poterlo fare?

Sono una scienziata e di preciso una ricercatrice in fisica delle particelle. Ci sono tantissimi enigmi sulla natura intorno a noi e i fisici sono persone estremamente curiose che cercano di trovare una spiegazione per ogni enigma! Per questo all’Università ho deciso di studiare Fisica, anche se a scuola non era la mia materia preferita… La trovavo difficile perché c’erano tante formule. Ma la curiosità era troppo forte e, col tempo, ho scoperto che le formule bisogna capirle e non impararle a memoria… Quindi, se siete curiosi, in futuro non fatevi spaventare!

Giuliana Galati

Sappiamo che viaggi spesso per lavoro. Ma come mai? E dove vai?

Viaggio spesso perché la maggior parte degli enigmi che dobbiamo ancora risolvere sono così complessi che hanno bisogno di esperimenti enormi e molto costosi. Per farli devono lavorare insieme centinaia, a volte anche migliaia, di persone che provengono da Stati diversi. Viaggiare serve a incontrarsi e fare grandi riunioni per raccontare i propri risultati e trovare altri scienziati e scienziate con cui fare esperimenti che da soli non si riuscirebbero a fare.

La seconda ragione per cui viaggiamo è andare là dove si possono fare questi enormi esperimenti e dove ci sono le macchine per realizzarli. Alcuni luoghi dove, infatti, vado spesso sono i Laboratori Nazionali del Gran Sasso o il CERN.

Che cos’è il CERN? e quando vai lì che cosa fai?

Il CERN è il più grande laboratorio di fisica delle particelle al mondo. Si trova vicino a Ginevra, al confine tra la Svizzera e la Francia. Lì c’è una specie di enorme pista per particelle, che dopo aver raggiunto

I Laboratori Nazionali del Gran Sasso si trovano in Abruzzo, ad Assergi, un paese in provincia de L’Aquila. Sono stati fondati nel 1985, si trovano sotto il massiccio del Gran Sasso (sotto 1 400 metri di roccia!) e lì si fanno proprio esperimenti in fisica delle particelle.

54 31_ita.indd 54

09/01/2024 17:37:06

Nel prossimo numero...

COM’È FATTO? Giugno 2024 - Settembre 2024 (n. 32)

ABBONATI A PLaNCK! Vai su www.planck-magazine.it o scrivici via mail a abbonamenti@planck-magazine.it

31_ita.indd 64

09/01/2024 17:37:20