SOMMARIO
1. UNA NUOVA VIA PER LA FISICA FONDAMENTALE
2. I LABORATORI NAZIONALI DEL GRAN SASSO
3. LE STRUTTURE
4. LE RICERCHE IN CORSO E IN PROGRAMMAZIONE
4.1.2 Oscillazioni e neutrini atmosferici

1. Una nuova via per la fisica fondamentale

Obiettivo principale della fisica è da sempre stato la ricerca dei costituenti ultimi della materia e delle forze fondamentali che essi si scambiano.

Conosciamo oggi la struttura della materia ad un livello che ci appare, a quanto ne sappiamo, elementare. I costituenti elementari esistono in tre gruppi detti "famiglie". La struttura di tutte te famiglie è identica. ciascuna contiene due quark e due leptoni. I due quark hanno carica pari a -1/3 e 2/3 rispettivamente della carica del protone. I due leptoni hanno uno carica negativa, in valore assoluto pari alla carica del protone e uno nulla ed è chiamato neutrino. I tre neutrini hanno, si assume, massa nulla.

Conosciamo anche quattro forze fondamentali che sono, in ordine di intensità decrescente, la forza nucleare forte, la forza elettromagnetica, la forza nucleare debole e la forza gravitazionale. Abbiamo una teoria quantistica che descrive le prime tre forze, ma non l'abbiamo ancora per la forza gravitazionale: per quest'ultima abbiamo la teoria della relatività generale che però non è quantistica ed è quindi solo un'approssimazione valida nel mondo macroscopico della teoria corretta.

La teoria. detta modello o teoria standard, descrive accuratamente tutti i fenomeni che conosciamo. Essa è stata stabilita sulla base di una serie di esperimenti sempre più complessi presso acceleratori di energia ed intensità sempre maggiori. Infatti, più piccola è la struttura da osservare maggiore deve essere l'energia del fascio che la esplora.

Abbiamo anche trovato che le quattro forze tendono a diventare sempre più simili tra loro al crescere dell'energia, tendono, diciamo, ad unificarsi. Abbiamo trovato che la forza nucleare debole e quella elettromagnetica si unificano a 100 GeV, cento volte l'energia di massa del protone.

Il test della teoria non è completato, parte degli elementi base si trovano infatti ad energie non raggiungibili attualmente. La nuova macchina LHC in costruzione al CERN di Ginevra è progettata per arrivarci. Sappiamo anche che la teoria attuale non è completa, ma non sappiamo come completarla anche perché una parte degli elementi da conoscere si trova ad energie ancora maggiori. Sino alla cosiddetta massa di Planck dove tutte e quattro te forze dovrebbero divenire uguali. Queste energie sono così alte che non potremo mai costruire un acceleratore per raggiungerle.

C'è però un'altra via. fenomeni di alta energia accadono infatti spontaneamente anche ad energie più basse, ma raramente, tanto più raramente quanto maggiore è la loro scala naturale di energia. Per osservarli è necessario, oltre allo sviluppo di rivelatori di tecnologia d'avanguardia. lavorare in un ambiente schermato da tutte le radiazioni di disturbo. sia i raggi cosmici, sia, nei limiti del possibile, la radioattività naturale delle rocce e dell'aria. Così le stelle si osservano solo di notte perché di giorno la luce molto più intensa del Sole sommerge il loro debole bagliore. Né si ode il trillo di un grillo in mezzo al rumore di un'autostrada.

Il  Laboratorio del Gran Sasso fu concepito da A. Zichichi, ormai sono vent'anni, proprio per questo scopo. La copertura di più di 1400 metri di roccia riduce il flusso di raggi cosmici di un milione di volte e, inoltre, la roccia della montagna è in particolare radioattivamente pura.

I Laboratori del Gran Sasso sono oggi un laboratorio unico al mondo, per le dimensioni delle sale in sotterraneo, per la facilità di accesso agli apparati di grandi dimensioni, per l'alta tecnologia delle infrastrutture esterne di supporto. Essi ospitano quindi gli esperimenti di avanguardia mondiale del campo.

I principati risultati raggiunti sono i seguenti.

Prima dell'entrata in funzione del Laboratorio si aveva un'indicazione sperimentale che il flusso di neutrini dal Sole fosse di molto inferiore a quello calcolato. L'esperimento GALLEX al Gran Sasso ha stabilito con certezza che il flusso di neutrini. quello direttamente associato alla produzione di energia e quindi calcolabile con affidabilità, è circa metà del valore aspettato. Questo comporta che il neutrino elettronico non ha le caratteristiche ipotizzate dalla teoria standard. Interpretazione più probabile è che i neutrini abbiano massa non nulla, avverrebbe allora il fenomeno delle "oscillazioni" di neutrini: neutrini di una famiglia si trasformerebbero in neutrini di un'atra famiglia durante il loro viaggio.

Recentemente un esperimento in un laboratorio sotterraneo giapponese,SuperKamiokande, ha osservato un deficit nel flusso di neutrini muonici prodotti nell'atmosfera agli antipodi che giungevano al rivelatore dopo aver attraversato la Terra. Contemporaneamente con una diversa tecnica, l'esperimento MACRO al Gran Sasso ha osservato lo stesso fenomeno. Anche queste osservazioni indicano fortemente che siamo di fronte all'oscillazione dei neutrini.

La scoperta della massa dei neutrini sarebbe una scoperta rivoluzionaria. essa richiederebbe una revisione completa della teoria. Tuttavia non ne siamo ancora assolutamente sicuri. Dovremo quindi confermarla in maniera inequivocabile e contemporaneamente cominciare a misurare le masse e i gradi di mescolamento dei neutrini. Nel programma per i prossimi anni stiamo includendo: esperimenti della prossima generazione sui neutrini del Sole, capaci di realizzare la spettroscopia neutrinica in tempo reale a basse e medie energie: esperimenti finalizzati alla misura delle reazioni termonucleari che avvengono nel Sole; esperimenti della prossima generazione sui neutrini provenienti dall'atmosfera, capaci di osservare direttamente il fenomeno dell'oscillazione: in collaborazione col CERN un fascio di neutrini prodotti artificialmente al CERN e rivelati da rivelatori ad alta tecnologia al Gran Sasso: esperimenti per l'osservazione di neutrini dalle esplosioni delle stelle.

Altre ricerche di avanguardia riguardano la materia "oscura" e il decadimento doppio beta. Dallo studio delle galassie sappiamo che la materia visibile, quella che emette luce. è meno del 10% del totale. Non sappiamo di cosa sia fatto il 90% dell'Universo: questa materia non emette luce ed è chiamata appunto oscura. Una possibilità è che essa sia costituita da un nuovo tipo di particelle, i neutralini. Presso il Gran Sasso si trovano gli esperimenti più avanzati al mondo. Uno di essi, DAMA, si sta avvicinando alla regione dove potrebbe scoprire i neutralini e qualche indicazione preliminare comincia ad apparire. La ricerca sul decadimento doppio beta è una via per esplorare la natura della massa del neutrino, il quale potrebbe avere una caratteristica unica tra i costituenti della materia: coincidere con la sua antiparticella.

Un contributo unico alla fisica dei raggi cosmici viene dato da un esperimento, EAS-TOP, localizzato in superficie, sopra i laboratori sotterranei, che studia la radiazione cosmica sia da solo, sia, nella sua componente penetrante, in associazione con i rivelatori sotterranei LVD e MACRO.

Le particolarissime condizioni ambientati del laboratorio permettono anche studi unici in altre discipline quali la geologia e la biologia. Esperimenti stanno cercando di rispondere ad esempio alle seguenti domande:esistono scivolamenti lenti delle faglie non osservati sinora perché non innescano onde sismiche? Qual è l'estensione geografica di una determinata crisi sismica? Gli organismi viventi che si evolvono in condizioni di radioattività ridotta sono più o meno robusti di quelli evolutisi in presenza di radioattività?

Queste pagine illustrano le strutture del laboratorio e gli esperimenti che vi si svolgono.

Alessandro Bettini

Direttore dei LNGS

2. I Laboratori Nazionali del Gran Sasso

Per dimensioni e ricchezza della strumentazione scientifica i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) sono il centro di ricerca sotterraneo più grande e importante del mondo. Essi sono stati progettati e costruiti con lo scopo di sfruttare la protezione dalla radiazione cosmica, ottenuta con gli oltre 1400 metri di montagna sovrastanti, principale requisito per l'attività scientifica a cui sono dedicati. Tale caratteristica consente infatti ricerche e misure in quasi completa assenza di segnali di fondo, una condizione indispensabile per indagare fenomeni estremamente rari o per studiare le proprietà della componente più penetrante dei raggi cosmici. Agli esperimenti di fisica, si affiancano altre attività sperimentali nel campo della geofisica e della biologia.

I LNGS sono finanziati dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, l'ente che in Italia coordina e finanzia la ricerca in fisica nucleare,subnucleare e della fisica delle particelle elementari. L'idea di dotare L'INFN di un grande Laboratorio sotterraneo dedicato alla fisica subnucleare nasce nel 1979 grazie al prof. Antonino Zichichi. all'epoca Presidente dell'INFN. Le opere di scavo per la costruzione delle sale sotterranee hanno inizio nel 1982 per un costo totale di 77 miliardi.

I laboratori sono costituiti da tre grandi sale sotterranee che ospitano gli apparati sperimentali, e da alcuni edifici esterni dedicati ad uffici. laboratori, officine. aule per seminari e centro di calcolo. Sono impegnati nei programmi sperimentati circa 450 ricercatori, di cui quasi 200 sono stranieri provenienti da ogni parte del mondo.

L'interesse della comunità scientifica internazionale è testimoniato dalla significativa presenza di studiosi stranieri provenienti da prestigiose istituzioni (oltre trenta, tra le quali il Max -Planck lnstitut di Heidelberg e di Monaco, il KFZ di Kartsruhe. il laboratorio francese di Sactay, il Massachusetts lnstitute of Technology e il California lnstitute of Technology degli Stati Uniti, il CERN di Ginevra, l'Accademia delle Scienze Russa e il Kurchatov lnstitute) che partecipano alle attività di ricerca dei LNGS.

3. Le strutture

Il "cuore" dei laboratori del Gran Sasso è all'interno della montagna,coperto da uno strato di roccia di oltre 1.400 m. In corrispondenza del Monte Aquila, quasi a meta' percorso del tunnel autostradale che collega Teramo a L'Aquila, tre grandi sale sperimentati (alte 20 metri, larghe circa 18 e Lunghe 100) ospitano imponenti apparati scientifici. Con i raccordi e i cunicoli di emergenza, i laboratori sotterranei occupano un volume pari a 180.000 m3 e un'area di 13.500 m2 . A causa delle grandi quantità d'acqua presenti all'interno del Gran Sasso, la temperatura naturale è circa 6-7°C e l'umidità quasi del 100% durante tutto l'anno. Per ottenere una climatizzazione ottimate per le attività che vi si svolgono, le sale sperimentali sono impermeabilizzate e coibentate. La ventilazione, assicurata da una lunga tubazione che corre lungo la galleria autostradale, convoglia dall'esterno circa 35.000 m3 di aria all'ora (in caso di necessitò si possono raggiungere i 45.000 m3 /h).

I dati raccolti dagli esperimenti giungono per mezzo di un cavo a fibre ottiche ai laboratori esterni, situati a circa 8 km di distanza presso Assergi, dove vengono elaborati. IL centro di elaborazione dati è connesso alla rete nazionale della ricerca (Garr-B). che permette di comunicare con università e centri di ricerca in Italia e nel mondo.

Le strutture esterne sono state completate per adeguarsi all'incremento delle attività'.Al nucleo originario, un edificio di 3.250 m2, si sono progressivamente aggiunti altri edifici dedicati ai laboratori scientifici e ai servizi, per un totale di circa 12.000 m2. E' stata inoltre allestita una sala per l'assemblaggio e il collaudo degli esperimenti, una sala conferenze, la mensa e la foresteria.

I grandi spazi a disposizione hanno permesso la gestione di apparati sperimentali di elevate dimensioni, ma sono attualmente divenuti insufficienti ad accogliere le richieste di nuovi esperimenti. Per questa ragione i programmi dei LNGS prevedono la costruzione di altre due sale sperimentali sotterranee più piccole di quelle esistenti e di una nuova galleria di servizio che dovrebbe soprattutto garantire maggior sicurezza disaccoppiando i Laboratori sotterranei dal tunnel autostradale.

4. Le ricerche in corso e in programmazione

4.1 LE RICERCHE SUI NEUTRINI

Tra le particelle che giungono incessantemente sulla Terra dall'Universo, i neutrini sono quelle che più mantengono l'informazione della loro origine e dei processi che li hanno prodotti. Ciò grazie alle loro proprietà fondamentati, che gli consentono di attraversare grandi quantita' di materia senza interagire con essa. Purtroppo queste stesse caratteristiche ne rendono problematica l'osservazione. I neutrini sono originati da fenomeni diversi, ma tutti di importanza cruciale per la comprensione della struttura della materia e dei meccanismi che producono energia nelle stelle.

Gli studi condotti finora sui neutrini (ce ne sono di tre tipi: neutrino elettronico, neutrino muonico, neutrino tauonico) hanno permesso di conoscere alcune loro proprietà, ma hanno anche lasciato aperti molti interrogativi.

Ciò che li caratterizza è l'assenza di carica elettrica, la massa molto piccola (o nulla) e il fatto che sono soggetti solo alla forza debole. Esiste inoltre la possibilità che i diversi tipi di neutrini si trasformino l'uno nell'altro, dando così luogo al fenomeno delle "oscillazioni".E' importante notare che le oscillazioni dei neutrini, se verificate sperimentalmente, indicherebbero la presenza di una massa non nulla per i neutrini. Dato il grandissimo numero di neutrini presenti nell'universo (un miliardo di neutrini per ogni singolo protone) se fossero dotati di una massa (anche piccolissima), influenzerebbero fortemente l'evoluzione dell'universo stesso.

4.1.1 I NEUTINI SOLARI

il Sole è una sorgente di neutrini, al pari di tutte le stelle in cui avvengono processi di produzione di energia. La fusione dei nuclei di idrogeno, principale responsabile della enorme energia prodotta, è accompagnata da un'emissione continua di neutrini elettronici che giungono a noi in pochi minuti dopo essere riusciti, senza alcuna difficoltà, a passare dal nucleo alla superficie del Sole (un percorso che il calore compie in un milione di anni).

Le ricerche sui neutrini, in quanto messaggeri di ciò che accade all'interno del Sole, sono di estremo interesse al fine di comprendere la natura delle interazioni fondamentali e i meccanismi alla base della produzione di energia dette stelle. Osservazioni effettuate da esperimenti sotterranei negli Stati Uniti e in Giappone, capaci di rivelare solo una piccola frazione di neutrini solari, di energia più elevata, hanno indicato un flusso di neutrini inferiore (circa 1/2 del totale) a quello predetto dai modelli correnti sul funzionamento del Sole.

L'ESPERIMENTO GALLEX E L'ESPERIMENTO GNO

L'esperimento GALLEX (GALLium EXperiment) è stato concepito per fornire una più accurata osservazione del flusso dei neutrini elettronici solari in modo da misurarne con precisione l'intensita'. L'esperimento è infatti costituito da un rivelatore sensibile anche ai neutrini di energia più bassa provenienti prevalentemente dalla fusione protone-protone, un processo responsabile della produzione di oltre il 98% dell'energia emessa dal Sole. Di conseguenza il loro flusso è calcolato in maniera affidabile.

Ospitato in una delle grandi sale sperimentali, negli anni passati GALLEX è riuscito a "contare" i neutrini sfruttando la capacità di queste particelle di trasformare il cloruro di gallio (liquido) in cloruro di germanio. Un contenitore racchiude 30 tonnellate di gallio, una massa sufficiente per far interagire alcuni neutrini e dare luogo, mediamente, ad un atomo di germanio al giorno. Il conteggio degli atomi di germanio prodotti, frutto di sofisticate tecniche radiochimiche. consente di quantificare il flusso di neutrini registrato.

GALLEX ha concluso la presa dati nel 1997. IL risultato finale è una frequenza di conteggi di 76 ± 7 SNU da confrontarsi con la previsione teorica di 129 ± 8 SNU. Questo risultato conferma il deficit nel flusso di neutrini già osservato da esperimenti negli USA e in Giappone. A differenza di questi però, il deficit è osservato su quella parte del flusso che è affidabilmente conosciuta.

Inoltre Gallex ha realizzato una calibrazione assoluta del processo di estrazione completo, mediante esposizione ad una sorgente artificiale di neutrini elettronici. La più probabile interpretazione è l'ipotesi che i neutrini elettronici, prodotti dal Sole, si trasformino in parte, lungo la strada, in neutrini di un altro tipo (muonici e tauonici). Assisteremo così al fenomeno quantistico delle oscillazioni dei neutrini, possibile solo se i neutrini, a differenza di quanto assunto netta teoria corrente, hanno massa.

Al posto di Gallex opera ora GNO. GNO (Gallium Neutrino Osservatory) monitorerà il flusso di neutrini di bassa energia provenienti dal Sole per un intero ciclo solare, circa 11 anni. Lo scopo è di tenere sotto osservazione l'attività solare e di diminuire gradualmente le incertezze sperimentali.

L'ESPERIMENTO BOREXINO

BOREXINO è l'esperimento che potrebbe contribuire in maniera decisiva al problema dei neutrini solari. Si tratta infatti di un rivelatore che una volta ultimato sara' in grado di misurare in tempo reale, con altissima statistica, le interazioni dei neutrini solari prodotti nella reazione che coinvolge i nuclei di Be. Questo è uno dei processi che avvengono nel Sole ed è di fondamentale importanza per comprenderne il meccanismo. La fase delle prove preliminari si è conclusa con i risultati del prototipo del rivelatore Counting Test Facility, dedicato allo studio delle schermature necessarie per ridurre il fondo, causato principalmente dalla radiazione naturale della roccia circostante. Il rivelatore sara' costituito da una sfera centrale perfettamente trasparente, contenente circa 300 tonnellate di scintillatore liquido ad un livello di radio purezza di una parte su dieci milioni di miliardi, mai raggiunto sino ad ora; la sfera sarà osservata da 2.200 fotomoltiplicatori racchiusi in una sfera d'acciaio contenente 1.000 tonnellate di liquido schermante. Tutta la struttura sara' immersa in un contenitore con 2.400 tonnellate di acqua estremamente purificata. Ogni giorno interagiranno nell'esperimento circa 50 neutrini.

4.1.2 OSCILLAZIONI E NEUTRINI ATMOSFERICI

Recenti risultati sembrano mostrare l'esistenza di un fenomeno noto come oscillazione dei neutrini anche in neutrini provenienti dall'atmosfera. Esso consiste nella proprietà dei neutrini di cambiare la propria natura da un tipo ad un altro

La probabilità di un neutrino di oscillare dipende sia dalla sua energia che dalla distanza che percorre dal luogo di produzione (sorgente) a quello di rivelazione (esperimento).

Perché l'oscillazione possa avvenire i neutrini devono avere masse diverse tra loro e quindi diverse da zero.

Un modo per rivelare le oscillazioni di neutrini (oltre a quello dei neutrini solari) è di studiare i neutrini atmosferici, quelli cioè originatisi nelle interazioni dei raggi cosmici con i nuclei dell'atmosfera. Essi fanno parte delle cascate di particelle secondarie che raggiungono la superficie terrestre.

La conoscenza del tipo di interazioni che avvengono nell'atmosfera rende possibile stimare il numero di neutrini di ogni tipo che dovrebbero raggiungere i rivelatori. L'esperimento SuperKamiokande, in Giappone, ha recentemente dichiarato di aver trovato evidenze di oscillazioni  mediante l'osservazione di un deficit nel numero di neutrini atmosferici aspettati.

Più precisamente i neutrini muonici prodotti nell'atmosfera sopra il rivelatore (che hanno percorso qualche decina di km) arrivano con flusso aspettato mentre si osserva un vistoso deficit in quelli prodotti agli antipodi, che hanno percorso qualche migliaio di km.

Lo stesso fenomeno è stato osservato da uno degli esperimenti in svolgimento al Gran Sasso: MACRO. MACRO misura un flusso di neutrini (mediante la rivelazione dei muoni provenienti dal basso, prodotti dall'interazione dei neutrini nella roccia sottostante) molto inferiore rispetto a quello aspettato secondo la teoria.

Anche l'esperimento lcarus in futuro studiera' l'oscillazione di neutrini mediante l'analisi del flusso dei neutrini atmosferici di tipo elettronico e muonico tramite lo studio delle tracce lasciate dalle particelle prodotte dall'interazione dei neutrini nell'Argon.

4.1.3 I NEUTRINI DA COLLASSI STELLARI

La morte di una stella è uno degli eventi cosmici più affascinanti e ricchi di aspetti significativi per la comprensione della storia dell'Universo. Quando una stella di grande massa (almeno 8 masse solari) ha esaurito il suo combustibile nucleare, la forza di gravità ha il sopravvento e il nucleo della stella collassa diventando una stella di neutroni o un buco nero, mentre un'enorme quantità di energia viene liberata con un'esplosione degli strati esterni accompagnata da una emissione di elementi pesanti (calcio, carbonio, ossigeno, azoto, ferro) e da un intenso flusso di neutrini e onde gravitazionali. Nessuno finora ha potuto avere una conferma sperimentale dell'esistenza di queste ultime. Diversamente, alcuni eventi interpretati come interazioni di neutrini furono osservati per la prima volta in alcuni esperimenti sotterranei (i LNGS non erano ancora completati) in occasione della esplosione della supernova denominata SN1987A nel febbraio 1987. Nonostante gli eventi osservati fossero pochissimi, la quantità di informazioni circa il meccanismo dell'esplosione delle supernovae, la formazione di una stella di neutroni, le proprietà dei neutrini e la produzione di altre ipotetiche particelle, fu imponente e molto rilevante, anche se sono rimasti aperti importanti interrogativi, per risolvere i quali sono necessari esperimenti di grande massa che siano in grado di operare per diversi anni ininterrottamente.

L'ESPERIMENTO LVD

LVD (Large Volume Detector) è un apparato sperimentale ospitato al Gran Sasso con le caratteristiche di un avanzato telescopio neutrinico in grado di "vedere" collassi stellari nella nostra Galassia e nelle Nubi di Magellano (due piccole galassie satelliti della Via Lattea). Il rivelatore, che nella sua configurazione finale sara' costituito da una massa di 1.080 tonnellate di scintillatore liquido distribuito in una struttura modulare di 3 "torri", consentirà di registrare i neutrini emessi dall'esplosione di una supernova nella nostra galassia determinandone la distribuzione in tempo ed energia. Tutte informazioni che possono contribuire, con le osservazioni ottiche e lo studio di probabili segnali di onde gravitazionali, a svelare il mistero di come muore una grande stella.

Benché disegnato esplicitamente per la rivelazione di neutrini originati nei collassi stellari, LVD è in grado di studiare la componente della radiazione cosmica che penetra nella roccia fino ai laboratori sotterranei, costituita da muoni di altissima energia e da neutrini. Questo esperimento opera anche in coincidenza con l'apparato sperimentale EAS-TOP posto a 2.000 metri a Campo Imperatore.

4.1.4 IL DECADIMENTO DOPPIO BETA

Il decadimento doppio beta è un particolare e rarissimo tipo di disintegrazione radioattiva in cui un nucleo di massa atomica A e numero atomico Z decade in un nucleo (A, Z+2). Tale processo può avvenire con l'emissione di due neutrini (ed è stato osservato) o senza neutrini.

La forma più interessante di tale processo avviene senza l'emissione di neutrini. L'interesse per la ricerca di questo fenomeno deriva dal fatto che esso risulta impossibile secondo la teoria corrente (neutrino di Dirac), mentre sarebbe possibile se il neutrino coincidesse con la sua antiparticella come proposto negli anni '30 da Ettore Majorana.

Esperimenti sempre più accurati richiedono una completa protezione dalla radiazione cosmica. rendendo luogo ideale i LNGS. Tra gli esperimenti in funzione sotto il Gran Sasso ricordiamo: Heidelberg - Moscow , Mibeta, DBA e DBGS.

Questi esperimenti hanno in esame ognuno un isotopo differente candidato per il decadimento doppio beta e studiano l'emissione con o senza neutrini.

L'esperimento Heidelberg - Moscow  è dotato di 4 cristalli di germanio arricchito per un totale di circa 11 kg. Una ulteriore schermatura all'esperimento è data da un box di piombo puro. La massa in osservazione e il fondo di radioattività residua sono tali da permettere a questo esperimento di fornire il limite sulla massa del neutrino di Majorana più sensibile al mondo, che attualmente è m < 0.2 eV (90 % C. L.).

Nell'esperimento Mibeta si usano bolometri di ossido di tellurio, 20 cristalli (per un totale di 2.3 kg dell'isotopo rivelante 130 Te) che vengono raffreddati a temperature dell'ordine di 10 millesimi di grado sopra lo zero assoluto (-273 °C) tali da renderli in grado di misurare la variazione di calore prodotto dal passaggio di particelle attraverso il cristallo stesso.

DBA (Double Beta Argon) sfrutta una camera a ionizzazione con Argon liquido schermata con piombo. La camera, di titanio, raffreddata da azoto liquido, è dotata di quattro catodi contenenti 100 Mo (139 g circa), un isotopo arricchito del Molibdeno e dieci catodi di Molibdeno naturale. Il decadimento doppio beta può avvenire solo nel 100 Mo e dal confronto delle misure tra catodi di Mo arricchito e Mo naturale è possibile ottenere una maggiore sensibilità alla ricerca del segnale.

DBGS (Double Beta Gran Sasso) usa come rivelatore un diodo al germanio ad alta purezza schermato da strati di rame e piombo per ridurre il fondo. In questo caso si ricerca il decadimento doppio beta sia con che senza neutrini. La misura avviene analizzando diciotto barrette di Neodimio naturale metallico. L'idea è di osservare il decadimento dell'isotopo 150 Nd presente nel Neodimio naturale in piccole percentuali, in uno stato eccitato con emissione di raggi gamma

4.2 I MONOPOLI

Dopo la formulazione dell'elettromagnetismo classico che afferma che elettricità e magnetismo non sono altro che diverse manifestazioni detta stessa interazione, apparve subito evidente la asimmetria tra carica elettrica, che esiste isolata, e carica magnetica, che esiste solo nella coppia Nord-Sud. Di qui l'ipotesi, formulata nel 1931 da P.A.M. Dirac, dell'esistenza di particelle, battezzate dal grande fisico "monopoli magnetici", che avessero un comportamento dettato dalla presenza di un unico polo magnetico (Nord o Sud).

Da allora nessuna prova sperimentate è stata trovata dell'esistenza dei monopoli magnetici, anche se alcune teorie li prevedono.

Le moderne teorie astrofisiche inoltre lasciano intravedere la possibilità che i monopoli magnetici di grande massa ( 1016 - 1017 volte la massa del protone), e perciò non riproducibili con gli acceleratori attuali o futuri, siano stati creati nei primissimi istanti dell'Universo. Monopoli magnetici starebbero quindi vagando nell'Universo da circa 15 miliardi di anni e sarebbero in grado di penetrare anche grandi spessori di roccia.

Si sa però, in base a considerazioni di carattere astrofisico legate all'esistenza di un campo magnetico nella galassia, che il flusso di tali particelle deve essere, se c'è, estremamente piccolo: non più di 10 di queste particelle dovrebbero attraversare in un anno una superficie grande come un campo da calcio.

La loro osservazione permetterebbe grandi progressi nella comprensione di molti fenomeni astrofisici e di fisica subnucleare, come ad esempio la non spiegata quantizzazione della carica elettrica che rende la carica elettrica una costante fondamentale della fisica moderna.

L'ESPERIMENTO MACRO

Impossibili da produrre artificialmente a causa della loro massa estremamente elevata, i monopoli sono sfuggiti a molti tentativi di osservazione con le tecniche più svariate. La sfida raccolta dai Laboratori del Gran Sasso si chiama MACRO (Monopole, Astrophysics and Cosmic Ray Observatory), il più esteso apparato al mondo per la ricerca di monopoli. L'elevata sensibilità deriva dalle sue grandi dimensioni e dalla capacità di estrarre molteplici informazioni anche da un singolo evento provocato da un eventuale passaggio di un monopolo. La sua struttura modulare utilizza tre tipi di rivelatori e ha un'estensione che lo rende uno degli apparati sperimentali sotterranei con la maggiore superficie attiva.

MACRO, grazie alla varietà delle tecniche sperimentali utilizzate, è un vero e proprio osservatorio che non si limita alla ricerca dei monopoli. I suoi rivelatori vengono anche utilizzati per lo studio della componente penetrante dei raggi cosmici di alta energia, di cui si studia la composizione e l'origine, anche in coincidenza con EAS-TOP, e quale telescopio per neutrini emessi da eventuali collassi gravitazionali.

4.3 LA RICERCA DI MATERIA OSCURA

La velocità con cui nubi di gas ruotano attorno alle galassie indica che la massa delle galassie stesse è maggiore, di circa un fattore 10, della massa delle stelle che le compongono. La maggior parte della materia presente nell'Universo non emette quindi luce, è oscura e non sappiamo in cosa consista. Benché parte di questa massa possa essere costituita da neutrini (qualora essi abbiano massa), da buchi neri e/o da MACHO (Massive And Compact Halon Object, stelle mai nate), gran parte deve essere costituita da particelle relitte dal Big Bang che, per varie considerazioni di carattere cosmologico, debbono essere soggette alla sola forza debole e quindi neutre.

La loro rivelazione potrà fornire risposte sulla nascita ed evoluzione dell'Universo.

Vari esperimenti dei LNGS eseguono ricerche di possibili segnali dovuti alla presenza della materia oscura di natura particellare; tra questi, l'esperimento DAMA (DArk  MAtter search) è stato concepito come un osservatorio di WIMPs (particelle massicce debolmente interagenti, previste dalle teorie supersimmetriche).

L'esperimento DAMA è costituito da contatori a bassissimo rumore di fondo e bassissima soglia, tesi a rivelare i deboli segnali. L'esperimento fa uso di circa 100 kg di cristalli di ioduro di sodio e di un rivelatore di 2 litri di Xenon liquido. Il meccanismo di rivelazione è legato alla raccolta della luce di scintillazione prodotta dal rinculo dei nuclei bersaglio dopo la diffusione elastica con le particelle costituenti la materia oscura.

L'apparato di cristalli di ioduro di sodio in particolare, è il più grande realizzato per tale tipo di ricerca ed è dedicato allo studio della modulazione annuale del segnale, quale efficace marcatura della presenza di WIMPs: tale modulazione è dovuta alla rivoluzione della Terra attorno al Sole, che induce una variazione periodica della velocità dette WIMPs rispetto al rivelatore.

Trattandosi della ricerca di eventi rari, una particolare attenzione è stata dedicata alla selezione dei materiali costituenti i rivelatori e l'ambiente circostante.

L'esperimento CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers) ricerca l'esistenza di WIMPs componenti la materia oscura mediante l'utilizzo di rivelatori criogenici di nuova concezione. CRESST raggiunge una soglia energetica di 0,5 keY ed una ottima risoluzione anche su eventi poco ionizzanti come quelli di materia oscura.

Il rivelatore è formato da quattro cristalli di zaffiro per una massa totale di circa 1 kg e da termometri di Tungsteno a transizione superconduttiva, funzionanti alla temperatura di quindici millesimi di grado sopra lo zero assoluto in un criostato a diluizione.

Un esperimento di questo tipo può svolgersi esclusivamente in un laboratorio sotterraneo per raggiungere una sensibilità adeguata; a tale scopo l'esperimento è ospitato in un ambiente particolarmente curato per evitare contaminazioni radioattive ed è schermato internamente ed esternamente.

Un nuovo esperimento per la ricerca di particelle di materia oscura, HDMS (Heideberg Dark Matter Search), è stato recentemente installato ai LNGS. Esso consiste di due rivelatori di germanio che funzionano l'uno dentro l'altro in anticoincidenza, entrambi montati all'interno di un criostato. Le caratteristiche dell'esperimento permettono di ridurre maggiormente il fondo dei raggi gamma che limita la rivelazione diretta delle WIMPs.

4.4 IL DECADIMENTO DEL PROTONE

Le ricerche sulle proprietà della materia hanno permesso di identificare e distinguere nuclei stabili e nuclei instabili. I nuclei instabili danno luogo al fenomeno della radioattività naturale. Anche i componenti del nucleo sono soggetti a questa caratteristica. Se isolato fuori dal nucleo, il neutrone è naturalmente instabile, mentre il protone era ritenuto, fino a non molto tempo fa essere assolutamente stabile. Questa certezza è stata messa in dubbio dalle cosiddette "Teorie di Grande Unificazione", le quali in maggioranza prevedono che il protone (e quindi la materia stabile) possa decadere. Qualora fosse messo in evidenza il decadimento del protone. verrebbe confermata l'attendibilità di queste teorie, con implicazioni estremamente interessanti per la fisica delle particelle e per la cosmologia.

Anche se la vita media del protone è enormemente più lunga della vita dell'Universo (cioè superiore a 1032 anni), esiste modo per mettere sperimentalmente in evidenza il decadimento. Si utilizzano rivelatori di grandissima massa, così da avere un numero di protoni tale da accrescere la probabilità di poter rivelare un decadimento, e di elevata sensibilità per osservare il fenomeno senza alcuna ambiguità.

L'ESPERIMENTO ICARUS

ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals) è un ambizioso progetto di ricerca che prevede l'impiego di Argon Liquido e tecniche di ricostruzione di immagini elettroniche tridimensionali per lo studio dei neutrini atmosferici e solari, da supernova, del decadimento del protone e di altri eventi estremamente rari. La grande massa del rivelatore garantirà un'elevata sensibilità dell'apparato, sia per la rivelazione diretta dei neutrini di origine astrofisica che per i processi rari.

Conclusa la fase di sviluppo della tecnica con prototipi di varie dimensioni, si è avviata una seconda fase che sta portando alla costruzione di un criostato con 600 tonnellate di massa sensibile, primo passo verso la realizzazione definitiva del progetto, una vera e propria sfida tecnologica e scientifica.

4.5 RAGGI COSMICI IN QUOTA

I Laboratori Nazionali del Gran Sasso sono il più grande insediamento scientifico del mondo dedicato allo studio dei raggi cosmici di alta energia che utilizza la combinazione di rivelatori sotterranei e di superficie. Questa soluzione permette di garantire un'osservazione il più possibile estesa e completa degli eventi in grado di rivelarci composizione e caratteristiche dette particelle cosmiche primarie. Sull'origine di queste particelle e sul loro meccanismo di accelerazione, la scienza è in grado di formulare solo delle ipotesi. Il loro studio è tuttavia estremamente importante, in quanto costituiscono l'unico esemplare di materia proveniente dall'esterno del nostro sistema solare che giunge sulla Terra.

L'ESPERIMENTO EAS-TOP

L'impatto di un raggio cosmico primario di elevata energia con l'atmosfera è all'origine di uno "sciame esteso" (Extensive Air Shower), ovvero una cascata di particelle secondarie e dei loro prodotti di decadimento (principalmente muoni, fotoni, elettroni e neutrini), la cui energia decresce con l'allontanarsi dall'asse dello sciame stesso. Lo sciame può contenere miliardi di particelle: le più deboli esauriscono la loro energia prima di toccare il suolo, mentre quelle più energetiche o più debolmente interagenti con la materia (come i neutrini) non hanno difficoltà a penetrare anche spessi strati di roccia.

Gli apparati sperimentali sotterranei e di superficie sono stati concepiti per sfruttare al massimo le caratteristiche della struttura degli sciami estesi con programmi di ricerca che abbinano i risultati dell'apparato EAS-TOP in superficie, con quelli di MACRO e LVD in sotterraneo. EAS-TOP è costituito da un grande rivelatore centrale (calorimetro adronico) e da 35 rivelatori elettromagnetici (scintillatori plastici) sparsi su una superficie di 100 mila metri quadrati a 2.000 metri di altitudine.E' in grado di registrare tutti i tipi di particelle presenti nello sciame. Tra gli obiettivi di ricerca di EAS-TOP vi è anche la ricerca di sorgenti galattiche ed extragalattiche di raggi gamma di altissima energia. Queste sorgenti potrebbero in parte essere il luogo di origine e di accelerazione dei raggi cosmici.

4.6 ASTROFISICA NUCLEARE

Nelle sale principali, ma anche nelle gallerie di collegamento, sono posti altri esperimenti, tipicamente più piccoli per dimensioni.

LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics) é un piccolo acceleratore di particelle da 50 kV usato per studiare i processi termonucleari che avvengono nel Sole che sarebbe impossibile studiare sotto il bombardamento dei raggi cosmici in un laboratorio esterno.

Le reazioni nucleari della catena protone-protone (che producono oltre il 98% dell'energia emessa dal Sole) hanno un ruolo chiave nella comprensione della produzione di energia, della nucleosintesi e sull'emissione dei neutrini nelle stelle. Un nuovo acceleratore da 400 kV è in fase di costruzione.

4.7 L'OSSERVATORIO GEOFISICO

Nella massa rocciosa nella quale è scavato il laboratorio è installata una stazione interferometrica ospitata in due gallerie minori disposte ad angolo retto e adiacenti a quelle principali. Si tratta di strumentazioni uniche al mondo. Le sofisticate apparecchiatura (in grado di studiare i movimenti terrestri con una sensibilità dell'ordine delle frazioni di millesimo di micron su una base di circa 100 metri) possono fornire un contributo a ricerche geofisiche, in particolare per la verifica dei modelli della Terra e per lo studio dei meccanismi di origine dei terremoti. Nella primavera-estate del 1997 è stata osservata una sequenza di 'terremoti lenti'. Come nel caso dei terremoti normali, si tratta di scorrimenti di faglia causati da un accumulo locale di sforzo. La velocità di propagazione della frattura e la velocità di raggiungimento del valore finale dello spostamento di ciascun punto della faglia sono però considerevolmente più basse. Di conseguenza non vengono prodotte onde sismiche. La sequenza osservata,oltre a fornire nuove importanti informazioni sulla dinamica delle faglie, ha permesso di comprendere meglio le interrelazioni tra eventi sismici che avvengono in diverse zone dell'Appennino.

Data la toro posizione prossima ad una regione caratterizzata da un elevato potenziale sismogenetico, i Laboratori del Gran Sasso costituiscono un luogo privilegiato per lo studio dei fenomeni sismici. A questo scopo è stata allestita una rete sotterranea di sismografi che consentirà conoscenze più approfondite sulle sorgenti dei terremoti nella regione centrale appenninica.

4.8 BIOLOGIA

Anche i biologi sfruttano, in alcune loro ricerche, la protezione dalla radiazione cosmica offerta dai laboratori sotterranei. Gli esperimenti mirano a comprendere il comportamento della materia vivente privata dell'influsso delle radiazioni naturali.

Un primo esperimento realizzato con cellule di lievito ha indicato che le cellule che crescono in un ambiente con basso fondo sono meno protette dai danni del DNA indotti da agenti chimici radiomimetici. Lo scopo dei futuri esperimenti è quello di estendere le precedenti osservazioni al comportamento di cellule coltivate di mammiferi. Queste cellule sono sistemi biologici più evoluti rispetto alle cellule di lievito usate nei precedenti esperimenti e permetteranno estrapolazioni più significative per l'organismo umano.

5. Prospettive

La prima generazione di esperimenti nei Laboratori del Gran Sasso è ormai in fase di piena attività e alcuni di essi stanno terminando la loro vita scientifica. Una seconda generazione di esperimenti è in via di discussione e definizione con il contributo della comunità scientifica internazionale che partecipa all'attività dei Laboratori.

Oltre a BOREXINO e ICARUS, già in fasi avanzate di costruzione, le nuove iniziative riguardano ancora la rivelazione dei neutrini solari, della materia oscura e studi sul decadimento doppio beta e su processi rarissimi di fisica nucleare.

Un possibile interessante sviluppo riguarda la fisica dei neutrini. Già nel primo disegno dei Laboratori era stata prevista la possibilità di rivelare, con apparati posti nella galleria del Gran Sasso, neutrini prodotti dal CERN di Ginevra, a circa 730 km di distanza.

La possibilità di avere un fascio di neutrini prodotto artificialmente e quindi con caratteristiche controllate, rende possibile lo studio del fenomeno delle oscillazioni in maniera più precisa che utilizzando i neutrini prodotti dal Sole ed atmosferici. ICARUS è stato progettato avendo anche questo tra i suoi scopi scientifici principali e altri esperimenti al riguardo sono allo studio.

L'incremento delle iniziative sperimentali ha fatto maturare l'esigenza di interventi strutturati, quali la costruzione di nuove sale e di una galleria di accesso indipendente dal tunnel autostradale, ritenuti necessari per garantire ai Laboratori prospettive di sviluppo e margini di sicurezza adeguati. Il progetto prevede due nuove sale sperimentali in comunicazione con quelle esistenti e la costruzione di una galleria di servizio e di accesso ai laboratori sotterranei per rendere il più possibile indipendenti le due strutture aventi caratteristiche e compiti così diversi: la galleria autostradale e i laboratori sotterranei.

6. Il consorzio di ricerca del Gran Sasso

Il Consorzio di Ricerca del Gran Sasso è l'organismo scientifico che ha come finalità principale la realizzazione di una rete di monitoraggio di importanti fenomeni naturali e di indicatori significativi della situazione ambientale e del suo evolversi nell'area del Gran Sasso.

Previsto dalla Legge 366/90, il Consorzio è stato formalmente costituito nel marzo 1992 e conta tra i propri soci I'INFN, l'Università dell'Aquila, il CNR, Telespazio SpA, l'ENEA, la Regione Abruzzo e il CISE (oggi incorporato nell'ENEL).

Il Consorzio ha concluso uno dei suoi compiti fondamentali avendo realizzato un sistema di rilevamenti.

Le attività di ricerca coprono il monitoraggio di eventi sismici (antenna sismica installata in galleria nei Laboratori), idrologici (complesso di centraline di misura di pioggia e neve), meteoclimatici (misure della radioattività ambientate) e fenomeni di natura biologica in ambiente montano ed in acque di origine diverse.

Il Consorzio nei tempi recenti si è fatto anche fautore di iniziative collegate al progetto di "Potenziamento delle reti di ricerca".

7. Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

L'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) nacque nel 1951 su iniziativa di un ristretto numero di fisici delle Università di Torino, Milano, Padova e Roma per creare le condizioni necessarie allo sviluppo di una vera scuola di fisica in Italia, sulla base dei contributi portati da fisici italiani nell'anteguerra nella fisica nucleare e in quella dei raggi cosmici.

L'INFN è oggi L'Ente pubblico che promuove, coordina, esercita i controlli di merito e finanzia le ricerche sperimentali e teoriche nella fisica dei nuclei atomici e delle particelle elementari e delle loro interazioni fondamentali. L'INFN cura altresì gli sviluppi tecnologici necessari alle proprie ricerche e il trasferimento delle tecnologie sviluppate alle imprese produttive.

L'attività dell'INFN si svolge principalmente in 19 Sezioni localizzate presso altrettanti Dipartimenti di Fisica delle Università. Quattro Laboratori Nazionali (tra i quali il Gran Sasso) ospitano infrastrutture, strumentazione ed esperimenti che, per la loro mole e complessità, non possono essere ospitati presso le Sezioni. Nei Laboratori Nazionali operano quindi i ricercatori ed i tecnici delle sezioni, oltre al personale in forza ai laboratori stessi. Gran parte degli esperimenti realizzati dall'INFN si trova presso i grandi laboratori internazionali che ospitano infrastrutture non realizzabili con le forze nazionali. L'INFN finanzia anche l'attività di ricercatori di otto Gruppi Collegati operanti anch'essi in Dipartimenti di Fisica.

Tutti gli esperimenti dell'INFN sono svolti in collaborazione internazionale che comprendono ricercatori da tutti i paesi del mondo. Il personale dell'INFN comprende 1.900 dipendenti e circa 1.000 ricercatori e professori universitari associati con contratto gratuito di ricerca. A questi vanno aggiunti i numerosissimi studenti del corso di laurea e di quello di dottorato ed i borsisti a vario titolo, la cui attività è essenziale sia per l'INFN sia per l'Università, nonché ricercatori stranieri che trascorrono periodi di tempo presso le strutture deLL'INFN.

Il bilancio dell'INFN è unico e a totale carico dello stato.

8. Glossario

Antiparticella: ogni particella costituente la materia ha una antiparticella corrispondente. Le antiparticelle cariche hanno carica elettrica opposta rispetto alla controparte di materia.

Big Bang: nome dato all'esplosione cosmica che avrebbe originato l'Universo.

Bosoni vettori: nome dato alle particelle che agiscono come mediatori di una forza.

Elettrone: particella elementare con carica negativa (e-) spin 1/2 e massa di 0.51 MeV.L'elettrone appartiene alla famiglia dei leptoni. L'elettrone è il leptone carico con massa più piccola.

Famiglie di particelle: le particelle elementari vengono riunite in 3 famiglie. ognuna composta da due leptoni e due quark. Differiscono per la massa totale delle particelle.

Fotone: particella con spin 1,e' il quanto del campo elettromagnetico.

lnterazione debole: forza a cui sono soggetti i leptoni, i quark e gli adroni. Mediatori della forza sono i bosoni W e Z.

lnterazione elettromagnetica: forza che agisce tra le particelle cariche e che tiene insieme gli atomi. Il mediatore della forza elettromagnetica è il fotone.

lnterazione forte: forza che agisce all'interno delle particelle, a livello dei quark. Tiene insieme i protoni e i neutroni nel nucleo.

lsotopo: sono diversi possibili nuclei dello stesso elemento. Gli isotopi di un dato elemento hanno ugual numero di protoni, ma diverso numero di neutroni.

Leptoni: particelle che interagiscono debolmente. Se ne conoscono tre coppie, una per "famiglia": elettrone e neutrino elettronico, muone e neutrino muonico, particella t e neutrino del t.

Materia Oscura: oltre il 90% della materia che riempie l'Universo è di natura sconosciuta. Probabilmente, almeno in parte, è costituita da particelle neutre debolmente interagenti.

Mesoni: particelle composte da una coppia quark-antiquark. I kaoni (K) e i pioni sono mesoni.

Modello Solare Standard: modello che descrive le reazioni di fusione termonucleare che avvengono nel centro del Sole.

Modello Standard: insieme di teorie che descrivono il comportamento delle particelle fondamentali.

Monopoli magnetici: ipotetiche particelle dotate di una sola carica magnetica.

Muone: leptone carico negativamente simile all'elettrone. ma più pesante (105 MeV): prodotto naturalmente nel decadimento di particelle create nell'interazione dei raggi cosmici con l'atmosfera.

Neutralino: particelle neutre previste dalle Teorie Supersimmetriche.

Neutrino: leptone neutro. Ne esistono di tre tipi: neutrino dell'elettrone, del muone e del tau. Sono prodotti in innumerevoli fenomeni astrofisici, come la fusione termonucleare nelle stelle, l'esplosione di supernove, l'interazione dei raggi cosmici con l'atmosfera. La massa, se diversa da zero. deve essere piccolissimo.

Neutrone: particella con carica nulla e massa pari a circa 1 GeV. I neutroni, costituiti da tre quark, compongono, insieme ai protoni, i nuclei atomici. Particella stabile all'interno del nucleo, se libera, decade in circa 14 minuti.

Oscillazione di neutrini: fenomeno secondo il quale è possibile per i neutrini trasformarsi da un tipo all'altro durante il percorso dalla sorgente di produzione al punto di rivelazione.

Particella elementare: particella che non ha una struttura interna. Sono particelle elementari i leptoni, i quark, i fotoni e i bosoni vettori.

Protone: particella carica positiva con massa pari a circa 1 GeV. Costituito da tre quark, forma il nucleo atomico insieme ai neutroni.

Quark: costituente ultimo della materia che partecipa all'interazione forte. Ha spin 1/2 e carica elettrica frazionaria (-1/3 oppure +2/3). Non si è mai osservato un quark libero. Se ne conoscono tre coppie, una per "famiglia", ciascuna composta da quark con cariche -1/3 oppure +2/3: up e down, strange e charm, bottom e top. La materia ordinaria è composta solo di quark   up e down.

Supernova: fase finale dell'evoluzione di una stella di grande massa. In questa fase la stella collassa ed esplode diventando milioni di volte più luminosa.Il nucleo della stella dà origine ad una pulsar od un buco nero.

Teoria di Grande Unificazione: teoria che cerca di comprendere le quattro forze, elettromagnetica, forte, debole e gravitazionale come manifestazione di un'unica forza.