Trieste: affrontare le sfide della fisica attraverso lo studio del cosmo

TRIESTE CITTÀ DELLA CONOSCENZA- «Se noi siamo qui, se ci sono i corpi celesti, le galassie e le stelle è perché queste strutture hanno assunto una certa forma, e questa forma è stata forgiata dalle leggi fondamentali della fisica, che hanno prodotto entità che sono oggi tra i più grandi misteri della scienza come l’energia e la materia oscura. Per le nuove generazioni di studiosi, e per i ricercatori dell’IFPU, fare luce sulla loro natura e la loro essenza sarà una sfida appassionante».

Questo il commento che George Ellis, grande scienziato e professore emerito di Matematica Applicata presso l’Università di Città del Capo, ha rilasciato in vista dell’istituzione dell’IFPU (Institute for Fundamental Physics of the Universe).

Ellis è stato keynote speaker alla cerimonia di inaugurazione del nuovo istituto che si è tenuta a Trieste il 2 ottobre presso l’Aula Magna del Campus di Miramare della SISSA, la location in cui prenderà sede l’istituto. La sua fondazione è il risultato dell’accordo e del lavoro di quattro importanti istituzioni scientifiche nazionali e internazionali, la SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati), l’ICTP (International Centre for Theoretical Physics), l’INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica) e l’INFN – Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

L’obiettivo è l’indagine delle leggi fondamentali della natura attraverso una prospettiva cosmologica e astrofisica. Una sfida che spingerà a unire gli sforzi di fisici delle particelle, cosmologi e astrofisici lungo i confini inesplorati di una linea di ricerca comune.

Unire le ricerche per un obiettivo comune

Si tratta di campi di ricerca che fino a pochi anni fa hanno spesso seguito binari separati. Da una parte gli astrofisici ed i cosmologi hanno dovuto ipotizzare l’esistenza di forze e particelle fondamentali per spiegare le osservazioni e tutto questo in modo indipendente rispetto alle specificità delle teorie delle particelle ed interazioni fondamentali. Un esempio di questo modo di procedere è l’introduzione dell’inflatone, la particella legata al campo che avrebbe causato l’Inflazione, ossia l’espansione accelerata dell’universo primordiale. Dall’altro lato i fisici delle particelle devono compiere un lavoro sostanziale per prendere in considerazione i risultati e le linee di ricerca della cosmologia e sulla base di essi formulare nuove teorie ed ipotesi.

Scoperte avvenute negli ultimi due decenni come l’espansione accelerata dell’universo, imputata alla cosiddetta Energia Oscura, una misteriosa forma di energia del vuoto che permea l’universo, scoperte come la struttura a grande scala dell’universo, spiegabile solo attraverso l’esistenza della Materia Oscura, una forma di materia a noi invisibile, per arrivare infine alle onde gravitazionali e alla possibilità di osservare le tracce del big bang nella radiazione cosmica di fondo, tutto ciò ha reso necessaria un’unione degli sforzi per raccogliere le sfide che ne sono nate.

Abbiamo incontrato due membri del consiglio direttivo del nuovo istituto, il professor Paolo Creminelli, cosmologo e fisico delle particelle dell’ICTP, e il professor Carlo Baccigalupi, cosmologo della SISSA, per discutere delle ragioni che hanno animato questo progetto, delle sfide che saranno affrontate e di come intende superarle.

L’IFPU è un istituto nato per far collaborare astrofisici, cosmologi e fisici delle particelle, categorie di scienziati che finora sembra abbiano seguito linee e modi di ricerca totalmente indipendenti.

Baccigalupi: Condivido. Uno dei motivi sta proprio nella specificità dei rispettivi contesti. Le teorie di campo e grandi unificate, la teoria delle stringhe e la supersimmetria sono linee di ricerca della fisica delle particelle caratterizzate da una certa complessità. In cosmologia invece si tende a cercare di identificare delle entità cosiddette efficaci: l’inflatone ad esempio è uno scalare efficace. È il modo più semplice che abbiamo per descrivere un’energia del vuoto transiente che svanisca dal termine dell’Inflazione. Cosa sia però questo campo in una teoria fisica coerente è molto difficile determinarlo. Ci sono stati tentativi di identificarlo attraverso il cosiddetto landscape, grandi valli connesse alla teoria della supersimmetria, ma si tratta di studi molto complessi che necessitano di verifiche osservative per poter procedere

Creminelli: IInoltre ci sono anche delle separazioni che hanno ragioni storiche, per esempio il fatto che, non solo in Italia ma in tutto il mondo, gli osservatori astronomici e i centri di astrofisica e cosmologia siano enti separati rispetto ai centri di fisica. I ricercatori possono così finire negli uni o negli altri. Questa separazione è ormai solo un retaggio storico e deve scomparire visto che la situazione è cambiata. Penso che proprio questo sia questo lo spirito dell’IFPU.

Come si è arrivati a questa necessità?

Creminelli: Sicuramente una delle ragioni è il grande cambiamento che c’è stato nell’astrofisica e nella cosmologia. Se penso a 20 anni fa, erano viste come scienze un po’ qualitative, mentre la fisica delle particelle aveva già raggiunto un’altissima precisione. Mi ricordo quando c’erano i primi seminari di cosmologia sulla costante cosmologica. Cosa potevano dire di preciso a riguardo? Erano visti come risultati ancora qualitativi, si trattava di un approccio ancora troppo diverso da quello della fisica delle particelle. Questo differenza però è scomparsa. Secondo me l’approccio tra i due campi oggi è molto più simile e l’astrofisica e la cosmologia hanno raggiunto un livello di precisione tale che il fisico delle particelle non può più ignorare i loro risultati.

Baccigalupi: Questo è avvenuto perché le osservazioni della radiazione extraterrestre, dalla Terra, dalla stratosfera e dallo spazio sono enormemente o progredite grazie allo sviluppo di tecnologie sempre più avanzate e ciò produce oggi misure precisissime. Questo ha innescato tra gli scienziati che si sono formati in ambienti di astrofisica e cosmologia una transizione verso l’accuratezza estrema. Di conseguenza le due comunità progressivamente si sono incontrate su terreni di fisica fondamentale.

Al di là della transizione alla precisione della cosmologia, ci sono altri aspetti in gioco in questo avvicinamento?

Creminelli: C’è anche il fatto che i temi di ricerca sono diventati più comuni. Se penso a 30 o 40 anni fa i fisici delle particelle erano interessati a completare il Modello Standard. C’era la ricerca del quark Top e il completamento della struttura di flavour. Erano dei temi che non avevano niente a che fare con l’astrofisica e la cosmologia. Adesso per tutte queste comunità la Materia Oscura rappresenta un punto cruciale. E’ una particella che chiaramente manca nel Modello Standard ed è forse l’unica evidenza precisa di una fisica che vada oltre esso. Non stupisce quindi che i particellari siano ossessionati dalla sua ricerca. Allo stesso tempo la materia oscura è anche completamente centrale nella cosmologia e nell’astrofisica. Quindi anche il fatto che alcuni temi siano diventati comuni gioca un ruolo importante.

Baccigalupi: Un altro aspetto coinvolge anche la modalità con cui viene svolta la ricerca scientifica. In particolare decine di anni fa gli esperimenti di fisica delle particelle si facevano soprattutto per mezzo di acceleratori di particelle – e si continua tuttora a farlo. Oggi però, per avere delle indicazioni riguardanti la fisica fondamentale che siano complementari a quelle dei laboratori tradizionali, si guarda sempre di più verso la radiazione extraterrestre perché porta informazioni che fino a poco tempo fa erano inimmaginabili. Gli esempi sono appunto nelle tematiche di ricerca dell’IFPU, quelle su cui ci confronteremo.

A proposito, quali sono?

Baccigalupi: Sono elencate sul nostro sito. Si parte dalla fisica degli oggetti compatti con l’emissione di onde gravitazionali, ossia il primo segnale che ci arriva da uno spazio tempo curvato in maniera macroscopica. La gravità in generale è debole dappertutto, ma questo è un segnale che ci arriva dalle vicinanze dei buchi neri, emesso quindi in presenza di uno spazio-tempo molto curvo. Si passa poi alle galassie e a come funzionano i loro motori centrali e poi su grandissima scala, di milioni e decine migliaia di milioni di anni luce, alla materia scura. Si arriva alla fine alla radiazione cosmica di fondo che proviene da soli 380000 anni dopo il Big Bang.

Questa radiazione è un elemento fondamentale, è un tracciatore diretto del Big Bang. Per studiarla finora ci sono state tre missioni spaziali, decine di osservatori da Terra e dalla stratosfera e ancora si continua a studiarla perché i piccolissimi segnali che ancora vi sono nascosti potrebbero contenere onde gravitazionali emesse nel momento del Big Bang, un segnale in grado di rivelare la fisica che era in atto nei primi istanti di vita dell’universo. Questo panorama offre una sorgente di straordinari stimoli per la fisica teorica fondamentale.

Quindi la cosmologia ha fornito nuovi campi di studio per la fisica teorica. Dal lato della fisica delle particelle è però anche vero che dal LHC al CERN, oltre al bosone di Higgs, ci si aspettava la scoperta di una nuova fisica oltre il modello standard. Ma non è stata trovata.

Creminelli: Sì hai ragione, questo è un altro aspetto da considerare. Magari non è troppo politically correct, però parte dell’interesse in questo tipo di ricerca cosmologica nasce anche dal fatto che la fisica delle particelle al CERN è funzionata benissimo per la scoperta del Higgs, però non ci sono state altre scoperte fondamentali. È chiaro che se con un’iniziativa come quella del LHC si fosse scoperta la supersimmetria io stesso che sono in mezzo ai campi della cosmologia e della fisica delle particelle mi sarei buttato su questa nuova direzione di ricerca. Di fatto i metodi tradizionali con cui si è fatta la ricerca nella fisica delle particelle dagli anni 30 fino al LHC, sembrano orai esauriti.

Baccigalupi: Si tratta poi banalmente anche di una questione di costi delle strutture da implementare. È naturale quindi un maggiore interesse per tutti gli altri tipi di laboratorio da cui possono arrivare informazioni. Questo è sempre successo nella storia della fisica.

Una domanda un po’ provocatoria. Esistono già istituti di ricerca molto validi nei rispettivi campi come l’INAF, l’INFN, la SISSA e l’ICTP. Da questo punto di vista aveva senso aggiungervi l’IFPU? Non si rischia una ridondanza?

Creminelli: Chiariamo subito questo punto, l’IFPU non sarà una realtà completamente nuova nel senso che non ci saranno, per esempio, persone assunte a tempo indeterminato che lavorano per esso. Altrimenti, visto che ci sono già queste istituzioni, crearne un’altra sarebbe effettivamente strano. L’IFPU ha “soltanto” lo scopo di unire gli sforzi di queste istituzioni, ma senza essere un nuovo ente con un proprio personale assunto a tempo indeterminato. Quindi non saranno create nuove posizioni di ricerca. Al massimo ci saranno persone che ci lavorano come postdoc per qualche anno. Penso che a Trieste di staff in questi campi di ricerca ce ne sia a sufficienza e non ci sia il bisogno di moltiplicare le persone già presenti. Bisogna soltanto metterle assieme per farle lavorare meglio.

Per questo motivo non la descriverei come una nuova istituzione, ma più come uno sforzo comune delle istituzioni che già esistono e che punta a superare una separazione tra osservatorio e altri enti che come dicevo è ormai un retaggio storico. Volevo inoltre sottolineare che non abbiamo chiesto soldi per formare qualcosa di nuovo. Sono i vari enti che partecipano che hanno deciso di mettere un po’ del loro budget per far nascere questa nuova realtà. È un modo di mettere assieme le risorse. Si tratta inoltre di una struttura molto leggera, abbiamo cercato di minimizzarne la struttura burocratica. Di fatto per noi sarà un luogo dove trovarci. Funzionerà se le istituzioni che ci hanno messo la faccia manterranno gli impegni presi».

Baccigalupi: La questione cruciale è creare comunità. Perché io posso in ogni momento sentire il Prof. Creminelli per avere un feedback su un qualche argomento o qualcosa che mi serve, però avere un luogo dove condividere il posto di lavoro è tutta un’altra cosa. Così si portano vicini scienziati che inevitabilmente nei propri istituti vivrebbero in ambienti diversi, isolati nel loro campo di ricerca.

C’è però anche un altro aspetto. Gli esperimenti e le osservazioni in astrofisica e cosmologia che si pianificano per il prossimo decennio sono veramente globali. Ci sono reti di telescopi da Terra, palloni stratosferici e satelliti. Tra questi c’è quello a cui in particolare cerchiamo di dare un contributo, il LiteBIRD, che sarà lanciato nel 2027 e che ha come missione cercare di vedere le impronte nella radiazione cosmica di fondo delle onde gravitazionali prodotte dal Big Bang. È un satellite che si sta interfacciando con 3 agenzie spaziali, quella giapponese, quella europea e quella statunitense.

Queste collaborazioni si muovono su lunghezze d’onda globali, molto più grandi di una realtà come l’area di Trieste. Quest’area, per essere eccellente e avere un impatto in questi progetti giganteschi, deve fare comunità, deve essere un centro attrattore che ospiti workshop e inviti persone che portino quel tipo di sfide globali e che allo stesso tempo avvertano la nostra centralità. L’area di Trieste è uno dei luoghi con la più alta densità di istituti scientifici al mondo e vogliamo avere un ruolo da protagonisti anche in questi progetti futuri. Noi dobbiamo essere centrali in queste sfide, non marginali. È questo che ha spinto la SISSA, l’ICTP, l’INAF e l’INFN a unirsi in questo progetto.

Per quanto riguarda l’INAF nella nostra area il volto di questo istituto presso di noi è rappresentato dall’osservatorio astronomico che qui ha due membri nel consiglio direttivo, il Prof. Stefano Borgani e il Prof. Paolo Molaro. Per l’INFN abbiamo avuto supporto ed entusiasmo da parte della sezione di Trieste nella persona del direttore Rinaldo Rui e nel coordinatore del gruppo 2 Mirko Boezio – che è anche esso nel consiglio direttivo assieme al Prof. Antonio Masiero, personalità di spicco dell’INFN. Quindi sono le sezioni locali di questi due grandi enti che hanno mostrato entusiasmo e sono per noi il volto degli enti. Hanno recepito il messaggio, hanno parlato con noi, sono andati nelle rispettive sedi centrali a perorare la causa e hanno ottenuto la firma.

La necessità di unire gli sforzi quindi è stata compresa?

Creminelli: Bisogna capire che rispetto al passato la ricerca sta richiedendo sempre di più l’integrazione di sfaccettature diverse. Ad esempio ci sono progetti come lo studio della radiazione cosmica di fondo che richiedono la collaborazione di scienziati sperimentali per la costruzione di satelliti, teorici di vari campi come la cosmologia e la fisica delle particelle, astrofisici per capire la contaminazione del segnale dovuta agli oggetti fisici della nostra galassia e infine c’è anche l’aspetto che riguarda le tecniche computerizzate di analisi dati. Bisogna stare al passo coi tempi e per farlo bisogna unire le forze. Inoltre per motivi storici a Trieste c’è una separazione fisica incredibile tra gli istituti coinvolti nel progetto, sono dislocati nei luoghi più vari, dentro e fuori città. Dico questo perché se ci fosse stato un campus in cui tutte queste realtà fossero insieme magari non ci sarebbe stato bisogno di un nuovo istituto. La creazione di una comunità sarebbe stata il frutto di una logistica naturale. In questa situazione anche organizzare un seminario diventa complesso. Quindi a parte motivazioni più globali ci sono proprio problemi di logistica che dobbiamo risolvere. In questo contesto è importante il fatto di avere a disposizione una palazzina in cui il progetto potrà essere implementato.

Strutture di questo tipo sono una novità oppure no?

Baccigalupi: Ecco, è da tener presente questa non è una tipologia di istituto sconosciuta in ambiente scientifico, e anzi, è molto nota. Alcuni dei centri più importanti al mondo esistono là dove diverse realtà che si occupano per esempio di matematica, cosmologia e astrofisica hanno creato questo tipo di istituti. L’idea degli istituti Kavli ad esempio è simile all’IFPU. Ve ne sono diversi al mondo, dagli USA alla Gran Bretagna alla Cina. Anche in questi enti ci sono uffici, ma c’è pochissimo o nessun personale permanente. Sono adibiti a dare un luogo fisico di incontro per creare comunità a tutti quelli che sono si occupano di tematiche connesse in istituti differenti.

Grazie al sostegno dei nostri quattro enti fondatori partiamo con un piano quadriennale durante il quale vogliamo attrarre qui investimenti e supporto anche da enti privati. Il nostro ultimo scopo è di diventare totalmente analoghi a questi centri che sono tra i più importanti al mondo.

Creminelli: Ad esempio una delle cose che vorremmo fare è avere degli esperti che vengano e fare un brevissimo ciclo di lezioni sulla loro specializzazione. Questo è importante perché spesso i corsi universitari sono in genere legati alla ricerca svolta in passato. Adesso però ci sono delle nuove tematiche, soprattutto quelle a metà tra un campo e l’altro, su cui magari sia noi che gli studenti non sappiamo dove trovare informazioni. Quindi si possono invitare degli esperti, i migliori che riusciamo a trovare, che vengano da fuori.

Questo è anche un modo di unire le comunità perché a questo punto si è un po’ forzati ad andare a seguire queste lezioni e così finisci per trovarti di fianco a qualcuno con cui difficilmente lavoreresti in maniera autonoma. Speriamo in questo modo di riuscire a far nascere nuove collaborazioni.

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