Attualità su ScienzaGiovane

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Gli esperimenti ATLAS e CMS presentano lo stato attuale della ricerca dell'Higgs
(F. Fabbri, P. Giacomelli, R. Giacomelli)

In un seminario tenutosi al CERN il 13 dicembre, 2011, le collaborazioni ATLAS e CMS hanno presentato lo stato della ricerca del bosone di Higgs secondo il Modello Standard delle particelle elementari. I risultati dei due esperimenti sono basati sull'analisi di una quantità di dati molto più consistente di quella presentata alle conferenze estive, ma non sufficiente a permettere di fare affermazioni conclusive sull'esistenza o non esistenza dell'elusivo Higgs. La conclusione principale è che, se esiste, il bosone di Higgs secondo il Modello Standard ha una massa inclusa con maggiore probabilità nell'intervallo 115-130 GeV. Entrambi gli esperimenti hanno osservato in questa regione di massa segnali indicativi, ma non ancora sufficientemente forti da permettere la rivendicazione di una scoperta. I bosoni di Higgs, se esistono, hanno una vita media breve e possono decadere in molti modi diversi. La ricerca e' basata sull'osservazione delle particelle in cui l'Higgs decade. Sia ATLAS che CMS hanno analizzato diversi canali (modi) di decadimento, e hanno potuto osservare piccoli eccessi di eventi nella regione di massa più bassa non ancora esclusa da precedenti misure o da altri esperimenti.

Bologna, 23/9/2011

Jökulsárlón
(S. Cecchini e R. Giacomelli)

Il bagliore verde che brilla nel cielo sopra il lago glaciale Jökulsárlón dell'Islanda è stato "catturato" dal fotografo Stephanie Vetter. Questa foto di una emissione di massa coronale ha vinto il concorso fotografico World at Nights 2011 International Earth and Sky Photo Contest.

Bologna, 23/9/2011

Un sorriso dal cielo
(R. Giacomelli)

Solo uno scatto su un milione riesce cosi' perfettamente.
Un sorriso dal cielo !

sorriso

Bologna, 30/8/2011

Radiazione di Sincrotrone
(S. Cecchini e R. Giacomelli)

La radiazione di sincrotrone, o luce di sincrotrone, e' la luce emessa da particelle cariche accelerate, sia quando sono accelerate nel loro moto su una traiettoria rettilinea, sia quando sono a velocita' costante in una traiettoria circolare (quest'ultima accelerazione la "sentite" per esempio in un'automobile quando girate attorno ad un angolo). Il nome di luce di sincrotrone proviene dall'osservazione per la prima volta della luce proveniente da particelle leggere come l'elettrone che venivano accelerate in un acceleratore di particelle, un sincrotrone. I sincrotroni usano magneti per curvare il cammino di elettroni mettendoli in orbite circolari. Ma la luce di sincrotrone e' anche emessa da oggetti astronomici come la Crab Nebula ed e' dovuta ad elettroni che vengono curvati nel campo magnetico galattico. Le particelle leggere, come gli elettroni perdono molta piu' energia per radiazione di sincrotrone che le particelle pesanti come i protoni. Per questo motivo vengono usati gli elettroni nelle applicazioni pratiche che sfruttano la luce di sincrotrone e non i protoni. Qui gli elettroni viaggiano in circoli oppure fanno una specie di slalom in magneti chiamati "wigglers" o "ondulators". In questi viene emessa un'intensa radiazione di sincrotrone in una direzione tangente alla traiettoria curva degli elettroni, come per esempio il fango emesso dalla ruota di un'auto che gira, oppure come i fuochi artificiali emessi da corpi in moto rotatorio (vedi figura). Gli scienziati scelgono una specifica lunghezza d'onda fra le molte emesse dagli elettroni, che includono luce visibile, infrarossi, ultravioletti, raggi-X, e la focheggiano su campioni molto piccoli. La combinazione di alta intensita' e ottima selezione in lunghezza d'onda rendono la radiazione di sincrotrone un potente metodo di analisi e di ricerca in moltissimi campi per ottenere informazioni dettagliate su strutture piccolissime, fino a strutture molecolari e atomiche. La luce di sincrotrone viene anche usata in medicina, per esempio per meglio individuare piccoli tumori in una mammella in una fase molto precoce. [Credit: Herman Winick, SLAC]

Bologna, 8/7/2011

Il protone, la sua massa e quella dei quark
(S. Braibant, S. Cecchini, G. Giacomelli e R. Giacomelli)

Fig.1 Nel piu’ semplice modello statico a quark il protone
protone e’ composto di tre quark u, u, d, molto piccoli
rispetto alle dimensioni del protone d

Nel piu’ semplice modello statico a quark il protone e’ composto di tre quark, p=u u d, che hanno ciascuno dimensioni molto piu’ piccole delle dimensioni del protone, vedi Fig.1.

Il protone sembra un sistema composto di tre piccoli oggetti e globalmente e’ quasi vuoto. Il neutrone e’ costituito anch’esso di tre quark, n= u d d. I tre quarks nel protone e i tre quark nel neutrone sono tenuti insieme dalla forza forte che avviene tramite lo scambio di gluoni (le “molle nere” in Fig.2).

A un livello dinamico di maggior dettaglio si deve tener conto che i tre quark interagiscono scambiandosi gluoni con massa nulla; inoltre ciascun gluone puo’ nel suo cammino dividersi in due gluoni e anche materializzarsi in una coppia quark-antiquark: ne risulta un sistema molto complesso e in continuo cambiamento, come illustrato in Fig. 2.

Fig.2 Nel modello dinamico a quark e gluoni il protone
e’ un complesso sistema in continua trasformazione di
molti gluoni, di molte coppie quark-antiquark e di 3
quark di valenza, uud

Si puo’ pensare che il protone sia quindi composto in media di tre quark (u,u,d, detti di valenza, che determinano la sua identita’), di un gran numero di gluoni virtuali (circa 40 nella Fig.2), di evanescenti coppie quark-antiquark (circa 14 nella Fig.2) che emergono dal vuoto e poi rapidamente vi scompaiono.

Calcoli molto complicati forniscono la massa dei quark di valenza: ~2 MeV/c2 per il quark u e ~4.8 MeV/c2 per il quark d : il totale della massa dei tre quark di valenza e’ meno del 2% della massa del protone.Possiamo quindi pensare che la massa del protone derivi principalmente dalla composizione dei suoi costituenti virtuali, e che quindi qualsiasi corpo terrestre e ciascuna persona sia anche composta di una relativamente piccola quantita’ di antimateria corrispondente a quella degli evanescenti antiquark.
[credit : Science Now; DESY, april 2010].

Bologna, 16/6/2011

Le fasce di radiazione di Van Allen
(S. Cecchini, G. Giacomelli, R. Giacomelli e Z. Sahnoun)

Fig.1 Le due fasce di Van Allen, la fascia interna a un’altezza di circa
3000 km ed una esterna a distanze molto maggiori e con bordo
esterno non ben definito

All’inizio dell’era spaziale la NASA americana invio’ nello spazio una serie di satelliti Explorer dotati di strumentazione che ora si puo’ definire un po’ primitiva. Il fisico James Van Allen era responsabile dei rivelatori per la misura dei raggi cosmici. Explorer 1 aveva solo un piccolo contatore Geiger e subito dopo il lancio Van Allen fu informato che il suo contatore non funzionava o funzionava in modo intermittente. Van Allen inizio’ a costruire contatori Geiger piu’ sofisticati dotati anche di un nastro magnetico su cui registrare i dati. Explorer 3 era dotato di tale sistema.
Van Allen ricevette i primi dati da Esplorer 3 mentre si trovava in un albergo di Washington : anche in questo caso il contatore Geiger sembrava funzionare in modo intermittente. Dopo aver acquistato una riga e carta van Allen si mise nella sua stanza iniziando a disegnare grafici fino alle 3 del mattino. E trovo’ quello che cercava : il rivelatore smetteva di funzionare perche’ saturo ogni volta che il satellite entrava in un’area a piu’ di 500 miglia di altezza dalla terra. Fu questa la prima scoperta dell’era spaziale e le fasce di radiazione scoperte presero il suo nome.

Fig.2 Traiettoria delle particelle cariche attorno e lungo le linee del campo
magnetico terrestre. Le particelle si avvicinano alla terra, rallentano e poi
invertono il moto. In tal modo sono intrappolate nelle fasce di Van Allen.

Studi piu’ completi condotti con Explorer 4 e 5 portarono alle conclusioni illustrate in Fig. 1 e 2. Attorno alla Terra si trovano due fasce di radiazioni di Van Allen, la fascia interna composta essenzialmente di protoni con energie comprese fra pochi MeV fino a un centinaio di MeV; la fascia esterna e’ composta prevalentemente di elettroni (e anche di ioni) con energie fino a pochi MeV. Le fasce di radiazione di Van Allen sono il risultato del vento solare ( che porta protoni, elettroni e ioni provenienti dal sole) e del campo magnetico terrestre che intrappola le particelle cariche e fa loro descrivere delle traiettorie che dipendono dall’unione di due moti: uno di rotazione attorno alle linee del campo terrestre e un contemporaneo spostamento lungo queste linee come illustrato nella Fig. 2, che illustra anche la posizione dei “punti specchio” che riflettono il moto delle particelle lungo le linee del campo. Le particelle cariche sono cosi’ intrappolate nelle fasce di Van Allen per un tempo medio di circa 10 anni nella fascia interna; nella fascia esterna la vita media non ha un valore ben definito.
E’ opportuno non fare stazionare troppo a lungo un nuovo satellite artificiale nella zona delle fasce di Van Allen, anche se ora si ritiene che il rischio da radiazioni non sia poi cosi’ grande. Molti satelliti le hanno attraversate, in alcuni casi a notevoli velocita’.
[Credits : Symmetry, Google]

Bologna, 30/5/2011

Il nostro pianeta blu e’ bellissimo
(R. Giacomelli, Z. Sahnoun)

Visto da un lontano satellite artificiale il nostro pianeta si presenta come un bellissimo pianeta blu con un certo numero di nubi (vedi "Notizia di attualita" del 20/4/2010).
Ora vengono fatte molte foto con strumenti di alta qualita’ ottica su satelliti artificiali posti ad alcune centinaia di chilometri di altezza sopra la superficie terrestre. Sono scattate per molti motivi diversi: per studiare paesaggi e vedere la loro evoluzione, per studiare e sorvegliare certi vulcani, per indagini geologiche per studiare depositi di minerali (utilizzando anche altri metodi di indagine), per effettuare previsioni meteorologiche, per studiare la sistemazione del territorio, per scopi militari e di intelligence, ecc.
Nelle spettacolari foto di Fig. 1 ci interessa enfatizzare alcuni paesaggi terrestri di particolare interesse visivo e anche turistico.
[Credit a vari Enti che raccolgono queste foto e le inviano a molti utenti]

Fig.1 Raccolta di foto della terra effettuate da molti satelliti artificiali a relativamente bassa quota

Bologna, 4/5/2011

Grafene autorefrigerante
(R. Giacomelli)

Fig.1 Struttura esagonale di uno strato monoatomico di atomi di carbonio (grafene) e correnti di spin indotte da una corrente elettrica.
[Da Flowing electrons magnetize graphene]

Il grafene e’ un materiale semi-metallico a spessore monoatomico che possiede una lunga serie di proprieta’ eccezionali (vedi la Notizia di ScienzaGiovane dell’11/10/2010 “Grafene e premio Nobel 2010 per la fisica”). Recentemente sono state misurate ulteriori proprieta’ eccezionali.
Alcuni ricercatori hanno registrato la temperatura del grafene al contatto del metallo del microscopio utilizzato per lo studio con uno strato di grafene osservando un notevole calo di temperatura quando una corrente elettrica passa tra i due elementi. Questa capacita’ auto-refrigerante potrebbe essere molto importante nell’impiego del grafene per circuiti elettronici integrati, in particolare se si trovera’ il modo di integrare il grafene con gli attuali elementi elettronici a silicio. La produzione di calore rappresenta una forte limitazione nell’uso di circuiti elettronici con dimensioni sempre piu’ piccole. In prospettiva la proprieta’ di auto-raffreddarsi puo’ rappresentare il punto forte per l’utilizzo del grafene nel settore dell’elettronica e dei circuiti integrati. [Da PuntoInformatico, marzo 2011]
Una seconda nuova proprieta’ e’ stata scoperta facendo passare una corrente elettrica in uno strato di grafene in presenza di un piccolo campo magnetico. Si e’ trovato che viene prodotta una corrente di spin in due direzioni opposte, perpendicolari alla direzione della corrente elettrica, vedi Fig. 1. La ricerca suggerisce che gli spin sono generati anche se il grafene non ha un momento magnetico. L’effetto e’ importante perche’ si puo’ controllare lo spin usando una corrente elettrica, rendendo cosi’ possibile il trasporto di informazioni quantistiche usando lo spin dell’elettrone (che e’ il momento angolare intrinseco dell’elettrone).

Bologna, 16/4/2011

Un microbo che usa arsenico al posto del fosforo
(R. Giacomelli, G. Maltoni)

Una notizia che neppure i biologi più avanzati potevano immaginare, perché è stato sempre confermato che gli esseri viventi sono costruiti da molecole specifiche e che fra i vari elementi sono indispensabili: fosforo, idrogeno, ossigeno, azoto e zolfo. Si ricorda che lo ione fosfato (PO₄^3-), dell'acido fosforico, regge l'impalcatura del DNA e dell' RNA e che tutti i processi chimici necessari nel trasporto di energia avvengono grazie all' ATP, (adenosintrifosfato). Ora, pensare che il fosforo possa essere sostituito con l'arsenico, sembra proprio fantascienza!
Eppure, “Science” riporta un recente lavoro di Felisa Wolfe-Simon e colleghi geomicrobiologi della California che proverebbe la possibilità di eliminare il fosforo dagli elementi indispensabili per la vita e di sostituirlo addirittura con un elemento tossico: l'arsenico. I ricercatori, facendo prove sui microrganismi presenti nel fango di un lago californiano (Mono Lake) ricco di arsenico, si sono accorti che un microbo cresceva meglio degli altri man mano che calava la presenza di fosforo.
Incuriositi da questa sorpresa e, grazie alle analisi ai raggi x del sincrotrone, hanno visto che l'arsenico si legava al carbonio e all'ossigeno formando “arsenato” in modo simile al fosfato. Se ciò è possibile a questo microbo del gruppo Halomonadaceae, altri potrebbero esserne capaci.....e indicherebbe un mondo ancora tutto da scoprire!
[da Wolfe-Simon, F. et al. Science (doi:10.1126/science.1197258 (2010)]

Fig.1 Un batterio del lago californiano Mono Lake può indicare nua nuova forma di vita

Bologna, 24/3/2011

Il neutrino in un minuto
(R. Giacomelli, V. Togo)

Il neutrino e’ forse la particella elementare con il nome piu’ appropriato: e’ piccolo, neutro e pesa cosi’ poco che nessuno e’ finora riuscito a misurare la sua massa.
I neutrini sono tra le particelle piu’ abbondanti nell’universo: ce ne sono 700 milioni per ogni protone. Ogni volta che i nuclei atomici si combinano in nuclei piu’ pesanti (come nel sole) oppure se si dividono in nuclei piu’ leggeri (come in un reattore nucleare) si producono neutrini. Anche una banana emette neutrini, che provengono dalla radioattivita’ naturale del potassio contenuto nel frutto. Senza neutrini il sole si spegnerebbe e noi non avremmo elementi piu’ pesanti dell’idrogeno.
Una volta prodotte, queste "particelle fantasma" non interagiscono quasi mai con altra materia. Decine di trilioni di neutrini provenienti dal sole attraversano i nostri corpi ogni secondo, giorno e notte, ma noi non ce ne accorgiamo.
I fisici teorici avevano previsto l’esistenza dei neutrini nel 1930, ma occorsero 26 anni prima che i fisici sperimentali li scoprissero. Oggi vi sono molte teorie, anche contradditorie, che cercano di spiegare la natura dei neutrini. I fisici sperimentali stanno cercando di determinare qual’e’ la massa dei neutrini, come interagiscono con la materia, e se il neutrino coincide con la sua antiparticella. Alcuni pensano che i neutrini siano stati la causa della sparizione dell’antimateria dopo il big bang, lasciandoci in un universo di materia.
Cosi’ se vogliamo comprendere l’universo dovremo prima capire i neutrini.
[Da Debby Harris, Fermilab su Symmetry, aprile 2010.]

Bologna, 15/3/2011

Camillo Cavour e la chimica dei fertilizzanti
(B. Poli)

Forse tutti sanno che il 2011 è stato dichiarato dall'UNESCO Anno Internazionale della Chimica, forse tutti sanno che nel 2011 ricorrono i 150 anni anni dell'Unità d'Italia. Forse non molti sanno che il conte Camillo Cavour svolse un ruolo determinante, non solo nel Risorgimento italiano, ma anche nello sviluppo della chimica agraria. Camillo Benso Conte di Cavour è quindi una figura che ben si presta ad onorare entrambi gli anniversari.
E' con questo obiettivo che La Biblioteca “Gabriele Goidanich” della Facoltà di Agraria di Bologna inaugura il 14 aprile una mostra bibliografica dal titolo "Camillo Cavour e la chimica dei fertilizzanti" visitabile fino al 24 aprile dal lunedì al venerdì nel seguente orario 9.00 -18.00.
Articolata in sezioni, inizia con una parte dedicata ai molteplici contributi in agricoltura apportati da Cavour: dalla messa a punto del barolo, alla sistemazione idrogeologica delle risaie piemontesi; dalla lotta all’epidemia di oidio che attaccò la viticoltura italiana a metà dell’Ottocento, alla fabbricazione di tubi per il drenaggio. Tra queste attività spicca l’attenzione che Cavour riservò ai fertilizzanti. Non solo comprese l'efficacia del guano, ma andò oltre. La consapevolezza del prezzo elevato al quale poteva essere acquistato e dell'esaurimento dei cumuli presenti in alcuni scogli del Perù e del Cile, lo spinsero a dar vita a una fabbrica di concime fosforico in grado di riprodurre l’apporto nutritivo conferito dai guani al terreno. Nelle sezioni successive della mostra sarà possibile ripercorre il cammino della chimica agraria fino ai primi decenni del ‘900, un cammino arricchito dall'esposizione di alcune sostanze utilizzate per concimare i terreni dall’Ottocento fino al 1940.
La mostra aprirà con un interessante dibattito a due voci tra uno storico del Risorgimento (prof. Angelo Varni) e un chimico agrario (prof. Claudio Ciavatta), moderati dal Preside della Facoltà, prof. Andrea Segrè. Il dibattito avrà luogo presso la BIBLIOTECA “G. GOIDANICH”, V.le Fanin 40 Bologna, il 14 aprile alle ore 10.30.

Bologna, 15/3/2011

La Cappella Sistina
(R. Giacomelli)

L’arte e la tecnologia della fotografia hanno fatto grandi progressi anche tramite l’uso del calcolatore. La foto qui mostrata e’ una meraviglia : si possono vedere l’insieme e tutti i dettagli della Cappella Sistina. La Cappella Sistina di Roma e’ uno dei piu’ famosi tesori culturali e artistici della Citta’ del Vaticano. E’ stata costruita nel 1480 ed e’ stata dotata di meravigliosi affreschi di Michelangelo e di altri artisti famosi.
Si deve aprire completamente l’immagine e cliccarci sopra con il mouse verso destra, sinistra, in alto e in basso per vederla completamente. In basso a sinistra c’e’ un + e un – per ingrandire e rimpicciolire l’immagine.
Sembra che abbiano impiegato 3 anni per fare questa presentazione. Per vedere questa meraviglia, clickate sull'immagine.

Bologna, 8/2/2011

I neutralini spiegati in 1 minuto
(R. Giacomelli e V. Togo)

I neutralini sono ipotetiche particelle supersimmetriche che potrebbero spiegare di che cosa e’ costituita la materia oscura.
La materia oscura dovrebbe costituire circa l’80% della materia nell’Universo. Mentre la materia sulla terra e’ costituita di atomi e nuclei, gli scienziati ritengono che la materia oscura debba essere costituita di qualche cosa differente. I neutralini sono i principali candidati.
I fisici stanno effettuando esperimenti sensibili alla materia oscura utilizzando apparati in laboratori sotterranei e in satelliti artificiali. I neutralini potrebbero anche essere prodotti in collisioni di altissima energia al Large Hadron Collider (LHC) al CERN di Ginevra.
Le teorie supersimmetriche predicono che i neutralini siano legati ai mediatori della forza elettrodebole ( fotoni, bosoni W+- e Z0) e ai bosoni di Higgs. LHC potrebbe osservare i neutralini se i neutralini sono effettivamente prodotti e se interagiscono con la materia ordinaria dei rivelatori a LHC.
Se gli esperimenti a LHC scopriranno i neutralini, misurerebbero anche la relazione fra neutralini e i mediatori della forza elettrodebole. Cio’ permetterebbe ai fisici teorici di calcolare la quantita’ di materia oscura prodotta nel Big bang e come sarebbe collegata alla materia oscura osservabile attualmente nell’Universo.
Con una buona quantita’ di fortuna potrebbe essere quindi possibile che si possano presto leggere, in giornali e in settimanali, articoli sulla scoperta dei neutralini.
[Da articolo di Gordon Kane su “Symmetry”, marzo 2009]

Bologna, 22/1/2011