Linee di scienza

Ho saputo della grande notizia da una mia studentessa di seconda liceo scientifico. Non sto scherzando, è proprio successo così: entro in classe alla prima ora e lei “prof! Ha visto?” e aveva perfino stampato l’articolo del Corriere della Sera on line! “Wow” è stato il mio commento a caldo. Anche perché sono molto felice quando imparo qualcosa dai miei studenti (che è uno dei motivi per i quali questo lavoro mi appassiona sempre di più, perché è uno scambio continuo fra docenti e studenti, fra studenti e studenti, fra docenti e docenti ).
In questi giorni ho cercato di leggere tutto quello che ho potuto sull’argomento, anche perché la vicenda è interessante da molti punti di vista.

Quello che mi sta più a cuore in questo momento è trovare una via, una qualche strategia, per “portare i neutrini in classe”. Mi spiacerebbe che il tutto si riducesse a quattro frasi di commento scambiate in fretta alla fine dell’ora, che finiscono solo per sottolineare lo stupore o il senso di sensazionale che i media ci hanno trasmesso, senza poter integrare e arricchire la mia didattica. Perché quella che stiamo vivendo è un’ottima occasione, proprio una buona occasione, secondo me, per far toccare con mano che cos’è la fisica.
(a proposito, che cos’è??   )

Ho meditato su una serie di percorsi, di ipotesi di lavoro e mi piace l’idea di condividerle in questo spazio:

1) La vicenda

 (L’aula magna del Cern di Ginevra il giorno della presentazione ufficiale dei risultati)

Primo passo, cercare di capire che cosa è successo, magari con una serie di domande e risposte:

• Che cosa sono i neutrini?
• Che cosa hanno scoperto i ricercatori?
• E adesso?

La scoperta arriva dall’esperimento Cngs (Cern Neutrino to Gran Sasso), nel quale un fascio di neutrini viene “sparato” dal Cern di Ginevra ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica nucleare (Infn). L’esperimento fa parte di una collaborazione internazionale che si chiama Opera.

La breve presentazione del 23 settembre sul sito dell’Infn è a mio parere una buona sintesi

sia dell’esperimento Opera:

«L’esperimento Opera è stato inaugurato nel 2006, con l’obiettivo principale di studiare la trasformazione rara (oscillazione) dei neutrini muonici in neutrini tau. Il primo di questi eventi è stato osservato nel 2010, dimostrando la capacità unica di questo esperimento nella rilevazione del segnale sfuggente dei neutrini tau.       
Opera è stato ideato ed è condotto da un team di ricercatori provenienti da Belgio, Croazia, Francia, Germania, Israele, Italia, Giappone, Corea, Russia, Svizzera e Turchia. L’esperimento costituisce una complessa impresa scientifica realizzata grazie alla maestria di un gran numero di scienziati, ingegneri, tecnici e studenti, e con il forte impegno dei vari attori del progetto. In particolare si segnalano i Lngs / Infn, i laboratori del Cern, e il sostegno finanziario di Italia e Giappone con il contributo sostanziale di Belgio, Francia, Germania e Svizzera.»

sia della notizia:

«Il risultato di Opera è basato sull’osservazione di oltre 15000 eventi registrati dal rivelatore dei Laboratori dell’Infn e sembra indicare che i neutrini viaggino a una velocità di 20 parti per milione al di sopra della velocità della luce, il limite della velocità nel cosmo. Tenendo conto delle straordinarie conseguenze di questi dati, si rendono necessarie misure indipendenti prima di poter respingere o accettare con certezza questo risultato. Per questo motivo la collaborazione Opera ha deciso di sottoporre i risultati a un esame più ampio nella comunità. Lo studio della collaborazione è disponibile in forma di preprint su arxiv.org (http://arxiv.org/list/hep-ex/new)
- Questo risultato è una completa sorpresa -, ha detto il portavoce di Opera, il fisico italiano Antonio Ereditato dell’Università di Berna. – Dopo molti mesi di studi e di controlli incrociati, non abbiamo trovato nessun effetto dovuto alla strumentazione in grado di spiegare il risultato della misura. Continueremo i nostri studi e attendiamo misure indipendenti per valutare pienamente la natura di queste osservazioni-.  
- Quando un esperimento si imbatte in un risultato apparentemente incredibile e non riesce a individuare un errore sistematico che abbia prodotto quella misura la procedura standard è sottoporlo a una più ampia indagine. Esattamente ciò che sta facendo la collaborazione Opera: è una corretta pratica scientifica -, ha commentato Il direttore di ricerca del Cern Sergio Bertolucci. – Se questa misura fosse confermata potrebbe cambiare la nostra visione della fisica ma dobbiamo essere sicuri che non esistano altre, più banali, spiegazioni. Ciò richiederà misure indipendenti-».

L’argomento “neutrini” si può approfondire direttamente sul sito dell’ esperimento Opera.
In classe ho anche ricordato la storia del neutrino, di come sia “nato” da una previsione teorica di Wolfgang Pauli e di come sia stato scoperto sperimentalmente vent’anni dopo (consiglio l’articolo di Antonio Sparzani su Nazione Indiana).

2) Qualche esercizio

Classica deformazione professionale… La seconda cosa che mi è venuta in mente è stata questo esercizio: “Se la velocità della luce è di 299 792,458 km/s, la distanza fra i laboratori di Ginevra e del Gran Sasso è di 732 km e sapendo che i neutrini arrivano prima dei fotoni di 60 ns, qual è la velocità dei neutrini? Se nei dati si sostituisce alla velocità della luce il valore approssimato di 300 000 km/s, cambia qualcosa?”. E siamo anche fortunati perché, di solito, in questo periodo stiamo proprio spiegando in cinematica, il concetto di velocità, con la sua ben nota formula che permetterà di risolvere il problema in maniera semplice e indolore. Ecco un bell’esempio di applicazione della formula della velocità a qualcosa di attuale (insieme ovviamente all’autovelox che ogni volta che viene pronunciato in classe sveglia chiunque dal torpore!). Il rischio è però che il numero che si ottiene non dia nessuna “scossa”, un po’ come nel calcolo della distanza sole – terra, sapendo che la luce del sole ci raggiunge solo dopo 8 minuti. Vabbè, si ottiene un numero enorme di km che non ci dice poi nulla. Allora lo faccio sempre confrontare con il diametro terrestre: “quante terre ci vorrebbero per arrivare fino al sole?” Allora sì che il numero ci impressiona forse un po’ di più. Oppure lo faccio confrontare con la lunghezza dell’Italia.

Nel caso della velocità dei neutrini, per far toccare con mano che cosa significano 60 ns in più o in meno, in termini di distanza percorsa, potremmo chiedere per esempio di quanto un neutrino distanzierebbe un fotone in una gara che prevedesse un secondo di corsa, cioè “dopo un secondo, quanta distanza in più percorre un neutrino rispetto a un fotone?”. E dopo due secondi? Così vediamo se è poi “così tanto più veloce” oppure no (ammesso che lo sia, ndr).

3) La teoria degli errori

Altra fortuna: seguendo il programma è arrivato il momento di affrontare la teoria degli errori. E in questo caso la fortuna è doppia, perché è proprio grazie a questa teoria che si basa l’attendibilità o meno di un risultato sperimentale. Ripetibilità e accuratezza. Tutto il mondo scientifico è con il fiato sospeso perché la velocità dei neutrini sarà misurata anche nei laboratori giapponesi e statunitensi.

A questo proposito conviene leggere l’intervista su La Stampa a Ereditato:
«Si tratta di un risultato così inaspettato che ci obbliga ad essere cauti. Ogni misura può essere alterata da due tipi di errori. In primis gli errori statistici, che possono derivare dalla scarsità dei casi esaminati: per questo abbiamo preso in considerazione un elevato numero di eventi, 15 mila, e continueremo a raccogliere i dati. Il secondo tipo di errore è sistematico e può essere dovuto a difetti delle strumentazioni. Ecco perché è necessario che le misure vengano ripetute altrove: esistono strumenti adatti sia negli Usa che in Giappone. [...] Le nostre stime dell’effetto combinato dell’errore statistico e di quello sistematico ci portano ad un margine di incertezza di 10 miliardesimi di secondo: anche nella peggiore delle ipotesi i neutrini avrebbero un netto vantaggio rispetto alla luce. Questo almeno risulta dall’analisi dei dati, che abbiamo svolto al meglio delle nostre competenze e tenendo conto degli effetti oggi conosciuti» Alla domanda “Dovevate conoscere in modo precisissimo sia la distanza fra il Cern e il Gran Sasso che il tempo di percorrenza. Come avete fatto?” lo scienziato inoltre risponde: «Ci siamo affidati a esperti di geodesia della Sapienza di Roma e di istituti svizzeri e tedeschi. Per misurare le distanze sono stati  utilizzati dei Gps sofisticati, mentre per i tempi di percorrenza abbiamo adoperato degli orologi atomici sincronizzati».

Se gli altri laboratori otterranno un valore compatibile con quello ottenuto al Gran Sasso, la notizia acquisterà oggettività scientifica e verrà accettata come plausibile. In caso contrario, adieu!
Nel frattempo un buon esercizio può essere quello di applicare la propagazione degli errori alla velocità dei neutrini, a partire dai dati comunicati sulle incertezze di  intervallo di tempo e distanza (ad esempio) dall’Infn:
«Abbiamo sincronizzato la misura dei tempi tra il Cern e il Gran Sasso con un’accuratezza al nanosecondo e abbiamo misurato la distanza tra i due siti con una precisione di 20 centimetri -, ha detto Dario Autiero il ricercatore del CNRS.[...] Nonostante che le nostre misure abbiano una bassa incertezza sistematica e un’elevata accuratezza statistica, e che la fiducia riposta nei nostri risultati sia alta, siamo in attesa di confrontarli con quelli provenienti da altri esperimenti-
In effetti i dati mostrati si riferiscono a misure relative a più di 15.000 eventi e le misure di sincronizzazione tra il momento della produzione del fascio di neutrini al Cern e quello della rilevazione nel rivelatore di Opera mostrano un errore (10 nanosecondi) ben al di sotto del tempo di anticipo osservato (i neutrini arrivano con 60 nanosecondi prima di quanto aspettato). […]L’anomalia riscontrata nella velocità del neutrino maggiore di 20 parti per milione rispetto alla velocità della luce, considerato il limite massimo di velocità, dovrà pertanto essere discussa e verificata dalla comunità scientifica».

Quale occasione migliore per sottolineare il potere e il valore della teoria degli errori?

4) Il metodo scientifico

Qui ci dobbiamo consultare anche con i nostri colleghi di filosofia, che ben sapranno integrare e interpretare questa vicenda alla luce del principio di falsificabilità delle teorie ecc ecc. A me interessa molto sottolineare l’aspetto di “sospensione del giudizio” su teorie ma anche su risultati sperimentali che spesso caratterizza la storia della scienza: insomma, bisogna aver pazienza, fa parte del metodo scientifico. E come lezione mi sembra possa bastare. Soprattutto dopo una bagarre giornalistica tutta italiana che altro non ha fatto che tratte conclusioni avventate, mentre la voce dei protagonisti scientifici, al Cern, diceva tutto il contrario, sentite qui (tanto per fare un po’ di “sperimentazione Clil”):  «Despite the large significance of the measurement reported here and the stability of the analysis, the potentially great impact of the result motivates the continuation of our studies in order to investigate possible still unknown systematic effects that could explain the observed anomaly. We deliberately do not attempt any theoretical or phenomenological interpretation of the results».

Per capire quali potrebbero essere le conseguenze della scoperta, consiglio l’articolo del direttore de “Le Scienze“ Marco Cattaneo pubblicato oggi sul quotidiano “La Repubblica“, che ha come sottotitolo “Come cambierebbe la fisica se si andasse più veloce della luce”.

Link:

• http://www.scienzainrete.it/contenuto/articolo/misura-di-opera-e-solida-ma-continuiamo-controlli articolo di Antonio Ereditato
• http://www.borborigmi.org/2011/09/23/considerazioni-dopo-il-seminario-di-opera-ovvero-di-come-si-misura-la-velocita-dei-neutrini-superluminali-o-meno una spiegazione dell’esperimento da parte di Marco Delmastro, fisico delle particelle del Cern
• http://public.web.cern.ch/public/en/Research/CNGS-en.html pagina divulgativa del Cern dedicata all’argomento
•  http://www.keplero.org/2011/09/piu-veloci-della-luce.html dal blog dell’astrofisico Amedeo Balbi
• http://peppe-liberti.blogspot.com/2011/09/neutrinologia.html dal blog del fisico teorico Peppe Liberti
• http://keespopinga.blogspot.com/2009/10/il-neutrino-di-updike.html    e http://keespopinga.blogspot.com/2011/09/qualche-rima-sul-neutrino.html?spref=fb divagazioni letterarie sul neutrino dal blog di Marco F. Barozzi
• http://blogs.scientificamerican.com/basic-space/2011/09/23/faster-than-light-neutrinos-show-science-in-action/  dal blog di Scientific American
• http://www.newscientist.com/special/neutrinos?DCMP=NLC-nletter&nsref=neutrinos dossier di NewScientist
• http://imascientist-film.org.uk/ un film che si chiede “What is it like to be a scientist?” con interviste a sei scienziati, tutto in lingua inglese

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Super-B è un progetto internazionale diretto da Marcello Giorgi dell’Università di Pisa e dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn), che prevede la costruzione di un acceleratore di particelle a Frascati. «Con la SuperB saremo in grado di creare la materia e l’antimateria e di studiare come queste si comportano quando coesistono in uno stato simile a quello che si è avuto l’ultima volta nei primi momenti di vita dell’universo, qualcosa come 13.7 miliardi di anni fa. Guarderemo al comportamento delle particelle nell’universo primordiale in modo diverso da come viene studiato al Large Hadron Collider (Lhc) al Cern; non cercando di raggiungere energie sempre più elevate, ma basandoci su uno dei pilastri della meccanica quantistica, il Principio di Indeterminazione. Il punto chiave è che prima che le fluttuazioni quantistiche oscurino la vista noi possiamo osservare, per una frazione di secondo, l’effetto del mondo ad alta energia che Lhc esplora direttamente. Per studiare la natura a queste elevate energie abbiamo però bisogno di raccogliere miliardi di queste veloci occhiate al mondo delle alte energie» si legge sul sito del progetto.

L’affascinante mondo delle particelle elementari potrebbe quindi svelare altri suoi segreti. A questo proposito, si legge ancora sul sito: «Il progetto SuperB parte da una idea di fondo: si possono ottenere ottimi risultati scientifici anche con acceleratori di particelle più piccoli dei “giganti” attuali e con energie molto più basse. Il nodo sta nel riuscire a far scontrare fasci di particelle estremamente compatti, piccoli e corti, densissimi. SuperB vuole aumentare così di 100 volte rispetto al limite attuale il numero di reazioni prodotte nella stessa unità di tempo in laboratorio. In questo modo, attraverso lo studio di processi estremamente rari di decadimento di particelle già note, si possono evidenziare piccolissimi effetti non previsti dalle teorie».

Super-B è nato dopo l’esperienza dell’acceleratore Dafne e dovrebbe essere costruito entro il 2016, se i finanziamenti arriveranno. Per ora il Miur ha stanziato 20 milioni di euro, ma quelli necessari sono circa 400. Le applicazioni pratiche vanno dalla biologia alla chimica ambientale, dalla microelettronica alla diagnostica e alle applicazioni mediche fino ai materiali innovativi.

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Ecco un libro che ho dato da leggere ai miei studenti per tanti anni e che avevo fatto acquistare per la biblioteca della mia scuola. È del 1990 e rimane, a mio parere, una pietra miliare per il territorio interdisciplinare Fisica-Filosofia-Psicologia. Paolo Bozzi era infatti professore di Metodologia delle scienze del comportamento alla Facoltà di Psicologia dell’Università di Trieste e in questo suo libro presenta i risultati delle sue ricerche di psicologia sperimentale sulla percezione dei moti e dei fenomeni fisici. La “fisica ingenua” è infatti quel «sistema di credenze intorno alle proprietà degli oggetti inanimati che popolano il mondo della nostra esperienza» e che il più delle volte sono delle convinzioni stereotipate erronee. Molto interessanti sono infatti gli esperimenti di Bozzi sul moto del pendolo o sulla caduta dei corpi dai quali emerge che la maggior parte delle persone è aristotelica e non galileiana!! E cioè che la maggioranza delle persone pensa che i corpi cadano a velocità costante come erroneamente credeva Aristotele…
Il libro è anche una piacevole lettura perché l’autore ha intercalato i capitoli saggistici con altri autobiografici nei quali la narrazione si traduce in un vero e proprio romanzo.
In rete è possibile leggere l’intervento di Giovanni Piana, in occasione dell’incontro-dibattito con Stefano Jacomuzzi, Corrado Mangione e Giovanni Piana, alla presenza dell’autore, alla Casa della Cultura di Milano del 21 novembre 1990. Può servire per un approfondimento interdisciplinare fra fisica e filosofia.
Per maggiori informazioni su Paolo Bozzi rimando a questa pagina e a questa biografia in suo ricordo.

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Ingredienti: limoni (oppure mela, pera, arancia, patata, banana, foglia verde…), due lamine, una di zinco e una di rame. Ricetta: inserire le due lamine (o elettrodi) nel limone e il gioco è fatto!
Ecco una semplice pila da realizzare in classe.
“Gli studenti vengono maggiormente colpiti se con questa pila si fa funzionare qualche apparecchiatura elettronica, invece di limitarsi ad una misura di FEM.” Si legge in questo utile articolo on line a cura del Progetto Lauree Scientifiche dell’Università di Trieste: “Ogni coppia galvanica Zn/Cu, usando un limone, fornisce circa 0.9 V ma solo pochi mA. Per questo motivo sono poche le apparecchiature che si possono far funzionare con tali pile. Tuttavia se si mettono in serie almeno due coppie galvaniche si ottengono 1.8 V circa. In questo modo si può far funzionare un orologio digitale per parecchi giorni”.
Fra le domande poste più spesso dagli studenti c’è la seguente: “Posso ragionevolmente far funzionare il mio telefonino con questa pila ?” La risposta è no, infatti un telefonino in genere necessità di 3.6 V, e 1 W (minimo) di potenza, cioè 0.27 A di corrente circa e per convincerci basta aprire il telefonino per controllare la FEM della sua batteria.

Ma non scoraggiamoci, perché dalla ricerca arrivano sempre novità come ad esempio delle batterie ricaricabili ultrasottili, che possono essere inserite sui due lati di un foglio di carta, in modo tale da poter alimentare dispositivi sottilissimi, leggeri e flessibili. Il prototipo è stato realizzato da un gruppo di ricerca dell’ Università di Stanford, che ha utilizzato un film sottile di nanotubi di carbonio. Trovate maggiori informazioni a questo indirizzo.

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Pochi mezzi ma grande risultato didattico, questo mi sembra essere il filo conduttore dei Piccoli esperimenti di Fisica proposti in un e-book disponibile gratis in rete da Peppe Liberti, ricercatore all’Università di Arcavacata di Rende (Cs) e autore di un blog molto interessante dedicato alla comunicazione della Fisica.

Per riprodurre sui banchi la scomposizione della luce bianca che avviene nelle gocce d’acqua in sospensione nell’aria quando si forma l’arcobaleno, basta disporre di un coperchio di plastica trasparente di un contenitore per Cd o Dvd, una torcia e un pezzo di carta bianca che funga da schermo. Si riempie il recipiente di acqua, meglio se “sporcata” con un po’ di tempera bianca, si fa un bussolotto di carta per collimare il più possibile il fascio luminoso della torcia: osserveremo subito la rifrazione della luce dall’aria all’acqua e viceversa e poi “il gioco sarà quello di trovare l’angolo giusto per creare la riflessione (quasi) totale all’interno del contenitore”. Appena trovato l’angolo, basterà posizionare lo schermo per vedere un microarcobaleno.
Nella sua semplicità questo “gocciolone d’acqua” sopperisce con grande eleganza al solito e abusato prisma… o alle solite penne bic!

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