The FAIR site in Darmstadt, Germany, Credit: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, M. Konradt.
Si potrebbe chiamare un LHC dei nuclei. Quello che il Large Hadron Collider del CERN fa per le particelle, la Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) farà per gli ioni pesanti. Accelerandoli e facendoli scontrare su bersagli fissi, riprodurrà le reazioni nucleari avvengono all'interno delle stelle. FAIR è in costruzione presso il GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research a Darmstadt, in Germania, e comincerà a funzionare alla fine del 2025. Il fisico Paolo Giubellino, proveniente dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, è il direttore scientifico del GSI e di FAIR dal 2017, dopo un mandato come portavoce dell'esperimento ALICE al CERN. Abbiamo parlato con lui del programma di ricerca, del perché - nonostante un direttore italiano e il coinvolgimento di diversi ricercatori e aziende - l'Italia non è un membro ufficiale di FAIR, e di come l'anno prossima potrebbe essere l'ultima opportunità per diventarlo.
Cosa rende FAIR una struttura unica per la fisica nucleare?
In primo luogo, avrà la più alta intensità mai raggiunta per i fasci di ioni, dell'ordine di un miliardo di ioni al secondo. È 100 volte più alta di quella raggiunta dalle strutture attuali, grazie a speciali magneti superconduttori installati nel nostro anello di sincrotrone lungo 1.100 metri. A differenza di LHC che si concentra su collisioni ad alta energia per studiare le interazioni tra particelle elementari, noi ci concentriamo sull'intensità (il numero di particelle nel flusso) per studiare processi nucleari molto rari. Secondo, FAIR accelererà qualsiasi tipo di ione, dall'idrogeno all'uranio. In terzo luogo, un dispositivo chiamato Super Fragment Separator selezionerà gli isotopi esotici prodotti nelle interazioni, e tre anelli di accumulazione li rallenteranno per studiare i processi che avvengono all'interno di stelle e pianeti a energie inferiori.
Quali sono le domande fondamentali che gli scienziati saranno in grado di affrontare?
L'esperimento CBM studierà la materia ad alta densità, come quella che si trova all'interno di stelle e pianeti. Sappiamo molto sulla superficie degli oggetti celesti, ma molto poco sulla loro struttura interna. La collaborazione NUSTAR eseguirà esperimenti per riprodurre i processi che avvengono durante le esplosioni di supernova e le fusioni di stelle di neutroni, da cui hanno origine gli isotopi esotici. Gli elementi chimici più pesanti del ferro emergono dal decadimento di questi isotopi, e noi vogliamo capire come si formano e cosa determina la loro abbondanza relativa sulla Terra. Questo sarebbe impossibile a intensità inferiori, perché i processi sono estremamente rari. Infine, l'esperimento PANDA produrrà adroni esotici e studierà come le interazioni forti, che legano insieme quark e gluoni al loro interno, si comportano al crescere delle distanze.
Paolo Giubellino. Credit: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, G. Otto.
FAIR farà anche scienza applicata. Quali sono le applicazioni potenziali più interessanti?
FAIR permetterà di migliorare la terapia adronica per il cancro. La collaborazione APPA esplorerà metodi per limitare i danni ai tessuti sani, come l'irradiazione flash, dove la dose curativa di radiazioni viene applicata in meno di un secondo. Un secondo progetto riguarderà l'uso di isotopi radioattivi del carbonio per trattare simultaneamente il cancro ed eseguire l'imaging, al fine di regolare la direzione del fascio in tempo reale. Inoltre, la collaborazione studierà gli effetti delle radiazioni spaziali sugli astronauti e sui materiali in collaborazione con l'Agenzia Spaziale Europea, grazie alla migliore simulazione dei raggi cosmici mai realizzata.
Gli scienziati italiani sono coinvolti in tutte e quattro le collaborazioni scientifiche, ma l'Italia non è tra i membri del consorzio, che comprende sette stati europei, Russia e India. Perché?
Su 3000 ricercatori di oltre 50 paesi che partecipano alla ricerca di FAIR, 150 appartengono a istituzioni italiane. L'industria italiana ha partecipato con componenti importanti, come i magneti per il Super Fragment Separator prodotti da Asg Superconductors a Genova, o gli alimentatori forniti da OCEM a Bologna. Ma l'accordo per diventare membri a pieno titolo di FAIR è stato firmato all'inizio della crisi del debito sovrano dello scorso decennio, e questo ha impedito a diversi paesi del Sud Europa di aderire. Inoltre, all'epoca la comunità di fisica nucleare in Italia stava sostenendo fortemente lo sviluppo dell'impianto SPES presso i Laboratori Nazionali di Legnaro, che affronterà problemi simili con una tecnologia diversa.
Cosa servirebbe all'Italia per diventare membro di FAIR, e quali benefici potrebbe trarne?
Ai paesi membri viene chiesto di offrire contributi in natura per almeno l'1% dei costi di costruzione, che ammontano a quasi 3 miliardi di euro. Le commesse già ottenute dalle industrie italiane sarebbero state sufficienti. Ci sono ancora contributi in natura che le industrie italiane potrebbero offrire per raggiungere i 30 milioni di euro richiesti, ma gli accordi su queste componenti saranno firmati nel prossimo anno circa. Essere paese membro darebbe maggiori opportunità di sviluppo industriale e di avere voce in capitolo sul futuro della struttura. FAIR ha davanti a sé diversi decenni di attività e rimarrà insuperato per molto tempo.
