COMUNICATI STAMPA 2024

L’European Research Council (ERC) ha assegnato ad Andrei Puiu, ricercatore dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, e a Simone Mastrogiovanni, ricercatore della Sezione INFN di Roma, due Starting Grant da 1,5 milioni di euro ciascuno, per i loro progetti di ricerca “OPOSSUM”, dedicato alla fisica dei neutrini, e “GravitySirens”, per la cosmologia con onde gravitazionali. Lo scopo degli Starting Grant dell’ERC, che vengono assegnati annualmente, è incentivare la fase iniziale della carriera di ricercatori e ricercatrici e dei loro progetti più promettenti. Sono finanziamenti di durata quinquennale destinati, infatti, a chi ha tra i due e i sette anni di esperienza dopo il dottorato e svolge il proprio lavoro in un’organizzazione di ricerca pubblica o privata con sede in uno degli Stati membri dell’Unione Europea o dei paesi associati.

Il progetto OPOSSUM (Optimal Particle identification Of Single Site events with Underground MKIDs detectors), proposto da Andrei Puiu, mira a migliorare significativamente la sensibilità degli esperimenti dedicati alla ricerca di un processo noto come “decadimento doppio beta senza emissione di neutrini”, che se osservato confermerebbe che i neutrini coincidono con le loro antiparticelle, come previsto da Ettore Majorana, e potrebbe così rivoluzionare la nostra comprensione dei neutrini e della fisica oltre il Modello Standard, la teoria che al momento meglio descrive le particelle elementari e le loro interazioni. Per osservare questo decadimento rarissimo, OPOSSUM utilizzerà dei cristalli simili a quelli già impiegati nell’esperimento CUORE, che è attualmente in funzione nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, ma implementerà anche un approccio innovativo che permetterà di ridurre il fondo dell’esperimento, ovvero di escludere le interazioni non di interesse tra particelle provenienti dall'esterno e i cristalli dell'esperimento, e di migliorare così la sensibilità della misura. “Questo finanziamento ci permetterà di esplorare nuove frontiere nella fisica dei neutrini e di apportare contributi significativi alla comunità scientifica”, racconta Andrei Puiu. “Sono entusiasta di avere l’opportunità di formare e coordinare i lavori di un nuovo gruppo di ricerca. Desidero, inoltre, ringraziare l’INFN e il Gran Sasso Science Institute per il loro costante supporto nello sviluppo di questa idea e i miei colleghi Luca Pattavina, Stefano Pirro, Dounia Helis e Andrea Melchiorre, per tutte le discussioni, gli stimoli, e il supporto sia in laboratorio che fuori, che mi hanno aiutato a raggiungere questo risultato”.

GravitySirens, il progetto proposto da Simone Mastrogiovanni, si pone invece l’obiettivo di misurare l’espansione dell’universo utilizzando i segnali di onde gravitazionali prodotti dalla coalescenza di sistemi binari di buchi neri e stelle di neutroni. L’espansione dell'universo è, infatti, uno dei più grandi interrogativi della fisica, poiché da circa 20 anni, si osserva un’inconsistenza nella misura della costante di Hubble, che indica la velocità d’espansione dell'universo, analizzando sorgenti vicine e lontane da noi. Inoltre, non si conosce la natura dell'energia e della materia oscura, due dei motori principali che guidano l'espansione dell'universo. “La difficoltà nel risolvere questi enigmi, consiste nell'identificare sorgenti astrofisiche a distanze cosmologiche che ci consentano di misurare accuratamente la loro distanza e velocità di allontanamento,” spiega Simone Mastrogiovanni. “I sistemi binari di buchi neri e stelle di neutroni, rivelati dalle collaborazioni LIGO e Virgo, sono le uniche sorgenti per cui è possibile ottenere una stima diretta della loro distanza. Tuttavia, per questo tipo di sorgenti non si può misurare direttamente la velocità di allontanamento”. GravitySirens si pone quindi l’obiettivo di risolvere questo problema, sviluppando tecniche innovative per misurare implicitamente la velocità di allontanamento delle sorgenti, includendo informazioni relative ai meccanismi di genesi dei buchi neri e osservazioni che arriveranno nei prossimi anni da esperimenti come Euclid. Questo approccio consentirà a GravitySirens di fornire informazioni precise e accurate sull'espansione dell'universo nella maggior parte delle epoche cosmiche.

Andrei Puiu ha conseguito laurea e dottorato di ricerca in fisica presso l'Università degli Studi di Milano Bicocca, dove ha avuto l'opportunità di lavorare con rivelatori innovativi utilizzati per gli esperimenti HOLMES, CUORE e CUPID-0. È stato professore associato presso il Gran Sasso Science Institute e dal 2022 è ricercatore presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN. Durante la sua carriera, ha sviluppato tecniche innovative per la rilevazione di eventi rari a basse temperature, contribuendo a esperimenti di rilevanza internazionale.

Simone Mastrogiovanni ha conseguito il dottorato di ricerca in astronomia e astrofisica fra le Università di Roma Sapienza e Tor Vergata, è stato ricercatore in Francia presso il Laboratorio di astroparticelle e cosmologia del Centro nazionale delle ricerche a Parigi e presso l'Osservatorio della Costa Azzurra a Nizza. Oggi è ricercatore presso la Sezione di Roma dell’INFN e la sua attività di ricerca è incentrata sullo studio dell'Universo, in particolare della sua espansione, con sorgenti di onde gravitazionali. È componente delle collaborazioni Virgo ed Einstein Telescope per lo studio dei segnali gravitazionali, dove ricopre ruoli di coordinamento per l'interpretazione astrofisica e cosmologica di segnali gravitazionali di sistemi binari di buchi neri e stelle di neutroni.

COMUNICATO STAMPA CONGIUNTO GSSI-INAF-INFN. Lo spettro del lampo di raggi gamma più intenso di sempre, rilevato nel 2022, conteneva una caratteristica mai osservata in cinquant’anni di ricerche: una riga di emissione, che si forma quando un processo fisico emette radiazione ad una specifica energia (o lunghezza d’onda). A identificarla per la prima volta in un lampo di raggi gamma (GRB o gamma ray burst, in inglese), dopo ulteriori ed accurate analisi dei dati, è stato un giovane team internazionale che ha coinvolto i tre Istituti italiani INAF, GSSI e INFN. La scoperta, che segna un importante passo avanti nella ricerca e nella comprensione dei GRB, è stata pubblicata oggi sulla rivista Science [link].

Lo studio ruota attorno al GRB 221009A, il lampo gamma più brillante mai osservato (anche conosciuto come BOAT o brightest of all time), captato il 9 ottobre 2022. «Pochi minuti dopo l’inizio del GRB, il satellite Fermi della NASA ha registrato una caratteristica inusuale che ha catturato la nostra attenzione», spiega Maria Edvige Ravasio, ricercatrice all’Università Radboud nei Paesi Bassi e associata INAF, prima firmataria dello studio. Si tratta di un peculiare picco di energia che ha raggiunto i 12 MeV (milioni di elettronvolt; per confronto, l'energia della luce visibile è solo 2-3 elettronvolt): «Non mi aspettavo di trovare una riga di emissione in questi spettri, e quando mi sono resa conto che quello che stavo vedendo era reale e non un prodotto di qualche errore nell'analisi, è stato emozionante: il nostro studio mostra che questo picco è la prima riga di emissione che osserviamo in cinquant'anni di studi dei GRB».

I lampi di raggi gamma sono infatti tra gli eventi più energetici dell’universo, capaci di rilasciare in pochi secondi più energia di quanta possa emetterne il Sole nella sua intera vita. I raggi gamma, che sono una forma di luce ad altissima frequenza, nascono all’interno di getti di plasma lanciati nello spazio a una velocità prossima a quella della luce, e vengono emessi da stelle di neutroni o da buchi neri appena formati. Eventi come il GRB 221009A sono possibili quando il nucleo di una stella massiccia esaurisce il suo carburante, collassa e forma un buco nero che lancia due getti in direzioni opposte. I raggi gamma sono rilevabili soltanto quando uno dei getti punta direttamente verso la Terra. Nonostante la scoperta dei GRB sia stata fatta cinquant’anni fa, il loro esatto meccanismo e la loro composizione sono ancora un mistero.

«Alcuni studi pubblicati una ventina di anni fa sostenevano di aver trovato delle righe di emissione nello spettro di alcuni lampi di raggi gamma, ma sono stati presto smentiti. Da allora, nessuno prima di noi ha mai più trovato indizi di righe di emissione nei GRB» spiega Om Sharan Salafia, anche lui ricercatore dell’INAF di Milano e coautore dell’articolo scientifico. «Il nostro è dunque il primo studio a trovare una simile riga di emissione con alta significatività: le probabilità che questa caratteristica sia solo una fluttuazione del rumore sono meno di una su mezzo miliardo».

La scoperta rappresenta quindi un’opportunità per capire le dinamiche e la composizione dei getti di GRB, mai compresi fino in fondo. Sono tre le possibili spiegazioni proposte dal gruppo di ricerca, «ma la più probabile è l’annichilimento di materia e antimateria all’interno del getto del GRB», spiega Gor Oganesyan, ricercatore al Gran Sasso Science Institute e ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, anche lui coautore dello studio. «Quando un elettrone e un positrone si scontrano, si annullano e producono una coppia di raggi gamma con un’energia di 0,511 MeV. Poiché il getto, dove la materia si muove quasi alla velocità della luce, punta verso di noi, questa emissione viene spinta verso energie più elevate».

«Questa straordinaria scoperta, guidata da giovani ricercatrici e ricercatori che ha coinvolto molti dottorandi, dimostra come le osservazioni dei GRB a cinquant’anni dalla loro scoperta continuano a stupirci svelando la fisica che governa questi eventi, tra i più energetici e misteriosi dell’Universo», commenta Marica Branchesi, professoressa al GSSI, associata all’INFN e anche lei firmataria dell’articolo. «Ha messo inoltre in evidenza la grande importanza dei satelliti per lo studio dei fenomeni celesti di alta energia, che saranno essenziali anche in futuro perché saranno strumenti unici, i soli in grado di rivelare le controparti elettromagnetiche di sorgenti di onde gravitazionali a grande distanza osservate dall'Einstein Telescope».

Sviluppare cure oncologiche avanzate con adroterapia di precisione ancora più veloci ed efficaci per combattere tumori inoperabili o resistenti ai tradizionali trattamenti radioterapici: questo l’obiettivo che CNAO (Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica), HiFuture, laboratorio di eccellenza del Gruppo Teoresi specializzato nella progettazione di sistemi embedded, e INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) hanno perseguito attraverso il progetto INSpIRIT.

Scopo del progetto, del valore totale di 10 milioni di euro, di cui 3,8 finanziati da Regione Lombardia, è l’aggiornamento tecnologico dell’impianto di alta tecnologia in dotazione al CNAO di Pavia, uno dei 6 centri di eccellenza al mondo e l’unico in Italia in grado di erogare trattamenti di adroterapia con protoni e ioni carbonio. Al CNAO è stato costruito l’unico sincrotrone italiano (impiegato per l’accelerazione di particelle, analogo a quelli presenti al CERN di Ginevra) utilizzato per i trattamenti di adroterapia, forma avanzata di radioterapia che impiega particelle adroniche per irraggiare le cellule tumorali, anziché i raggi X, utilizzati nella radioterapia convenzionale.

All’interno del progetto INSpIRIT, HiFuture (Gruppo Teoresi) si è occupata di tre task di fondamentale importanza: ha realizzato il sistema di controllo della terza e nuova sorgente adronica del sincrotrone, che sarà dedicata alla produzione di fasci di particelle di nuove specie ioniche, dirette sia nelle tre sale di trattamento sia nella sala sperimentale; ha partecipato alla realizzazione di nuovi controllori per i magneti dell’acceleratore lineare; si è occupata dei processi di validazione del software del sistema di erogazione della dose, per renderlo compatibile con l’erogazione di trattamenti con nuove specie ioniche.

La nuova sorgente, realizzata con il fondamentale contributo dei Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN e della Sezione INFN di Pavia, è in grado di produrre varie specie ioniche. Nello specifico, sarà utilizzata per la produzione di elio, ossigeno e litio, che hanno caratteristiche radiobiologiche differenti rispetto a protoni e ioni carbonio e, quindi, sono di notevole interesse per i trattamenti radioterapici oltre che per studi radiobiologici. La sorgente sarà inoltre impiegata per la produzione anche di ioni ferro, una specie di notevole interesse dal punto di vista aerospaziale: il fascio di ferro verrà, infatti, usato nell’ambito di esperimenti di irraggiamento di materiali da utilizzare nella costruzione di dispositivi impiegati nelle missioni spaziali. 

“Il progetto INSpIRIT, grazie alla partecipazione dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, al finanziamento di Regione Lombardia e all’expertise tecnologica di un’azienda innovativa come HiFuture, ha potuto prevedere un ampio e ambizioso intervento di potenziamento dell’impianto di adroterapia di Pavia”, spiega Luciano Falbo, Responsabile dell’Unità di Alta Tecnologia di CNAO e del progetto INSpiRIT. “L’aggiornamento di molti componenti dell’acceleratore ha permesso di rendere il sincrotrone di CNAO ancora più performante. L’introduzione della terza sorgente permetterà inoltre di produrre fasci che, in futuro, potranno condurre a un approccio sempre più personalizzato sul singolo paziente, in base alla patologia oncologica, anche per i tumori particolarmente difficili. Una nuova arma per sconfiggere il cancro”.

"L'INFN collabora con il CNAO da sempre: dalla realizzazione del sincrotrone, che è il cuore del CNAO, agli studi nel campo dell'adroterapia", sottolinea Oscar Adriani, membro della Giunta Esecutiva dell'INFN. "Negli ultimi anni, questa collaborazione strategica è proseguita con la costruzione di una nuova sorgente, progettata per produrre fasci ad alta affidabilità e riproducibilità, che consentono di raddoppiare, o addirittura triplicare, le performance rispetto alle sorgenti già operative di protoni e ioni carbonio. Inoltre, grazie all'introduzione di nuove specie ioniche, si creano nuove potenzialità in ambito clinico, aprendo la strada a trattamenti più efficaci di quelli attualmente disponibili. Con la nuova sorgente saranno possibili anche innovative applicazioni in ambito industriale (aerospazio) e nella ricerca sperimentale, in particolare in radiobiologia. L’INFN ha lavorato alla realizzazione della nuova sorgente, all’assemblaggio, alle verifiche e all’installazione al CNAO, e al prossimo primo test con particele alfa, grazie all’esperienza e alle competenze della nostra comunità, nello specifico dei Laboratori Nazionali del Sud, un centro di riferimento per la costruzione di sorgenti di ioni al servizio della fisica nucleare, con attenzione alle ricadute sul piano tecnologico, culturale e del benessere sociale, e della Sezione di Pavia, da tempo impegnata in attività a supporto del CNAO", conclude Adriani.

“HiFuture, dal 2023 laboratorio di eccellenza del Gruppo Teoresi, è partner di Fondazione CNAO da circa dieci anni: la collaborazione con questa realtà internazionale nel campo dell’adroterapia è stata un’occasione unica per lavorare allo sviluppo di tecnologie di frontiera applicate al mondo Health e, in particolare, al trattamento dei tumori”, dichiara Luigi Zoccolante, AD di HiFuture. “Il nostro obiettivo è continuare a stringere in ambito medicale alleanze virtuose come questa, per continuare ad avere un impatto concreto nel settore. Soprattutto adesso che HiFuture, all’interno del Gruppo Teoresi, punta a posizionarsi nel panorama dell’alta ingegneria italiana come eccellenza per sistemi embedded per soddisfare le esigenze più specifiche in qualunque contesto progettuale”.

Aggiunge Beatrice Borgia, Chief Corporate Development Officer del Gruppo Teoresi: “Teoresi ha recentemente lanciato un nuovo verticale, Teoresi MedTech, il cui scopo è la valorizzazione delle competenze del Gruppo nel settore delle Scienze della Vita. In tema di sperimentazioni legate a tecnologie applicabili alla cura oncologica, il Gruppo ha già collaborato, in passato, al progetto Nanocan. A fianco di università e istituti di ricerca per sviluppare ‘l’Ospedale in un ago’: una nuova classe di dispositivi che utilizzano fibre ottiche integrate in aghi medicali allo scopo di monitorare marker tumorali e rilasciare farmaci. Il progetto INSpIRIT è l’occasione per aggiungere all’interno del Gruppo Teoresi competenze chiave in un campo complesso come l’oncologia, nel quale il progresso deve fare leva su innovazioni tecnologiche ad ampio spettro per arrivare a soluzioni efficaci, personalizzate e meno invasive per i pazienti”.

GINGERino ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN stabilisce un nuovo record di sensibilità e apre a innovative misure di fisica fondamentale e applicazioni di geofisica

GINGERINO, un giroscopio laser ad anello (RLG, Ring Laser Gyroscope), installato sotto 1400 metri di roccia all’interno dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, ha segnato un nuovo record, dimostrando che la sua sensibilità è almeno un ordine di grandezza migliore di quanto previsto dai modelli di funzionamento di questi precisissimi strumenti. Il risultato, pubblicato il 2 luglio su Physical Reviews Letters, è determinante perché non solo segna una sensibilità limite per i giroscopi laser ad anello, ma fornisce anche la prova della validità del loro funzionamento per diverse applicazioni, da misure di precisione di fisica fondamentale e relatività generale, alla geofisica e geodesia.

“L’analisi dei dati di GINGERino da alcuni anni dava indicazione che la sensibilità era maggiore di quella prevista dai modelli teorici elaborati per questi oggetti, sostanzialmente basati sulle proprietà delle cavità ottiche, passive non attive. Abbiamo quindi fatto uno sforzo ulteriore, riuscendo a misurare direttamente, con un approccio originale, il limite superiore di GINGERino” spiega Angela Di Virgilio dell’INFN, responsabile internazionale della Collaborazione GINGER.

“Abbiamo installato un secondo fotodiodo di rivelazione, appena ci siamo resi conto che ci avrebbe permesso di fare la misura, e dimostrare così come la realtà ancora una volta ponga interrogativi importanti alla teoria”, aggiunge Enrico Maccioni, dell’Università di Pisa e associato all’INFN, coordinatore tecnico di GINGER.

“La presenza di meccanismi di correlazione di fase, anche molto piccoli, - spiega Alberto Porzio dell’università di Cassino e associato all’INFN, e membro della collaborazione GINGER - suggerisce che debbano essere considerate dinamiche più complesse, in un modello ottico-quantistico esteso”.

“Questi segnali sono non solo stimolanti per la fisica fondamentale, ma anche utili per capire meglio il mondo che ci circonda e per la scienza della Terra: per esempio, fornendo ai sismologi i segnali delle rotazioni causate dai terremoti,  attualmente si utilizzano solo traslazioni”, sottolinea Giorgio Carelli, dell’Università di Pisa e associato all’INFN, responsabile nazionale INFN di GINGER.

Come funziona. Un giroscopio laser ad anello è una cavità ottica risonante che, nel caso di GINGERino, è a forma di quadrato ed è definita da quattro specchi posizionati ai suoi vertici. La cavità è riempita da una miscela di gas elio-neon che viene eccitata da una scarica a radiofrequenza, generando così due fasci laser controrotanti. In assenza di rotazione, i due cammini ottici sono identici e i fotoni impiegano lo stesso tempo a chiudere l’anello. Ma ciò non è più vero se la cavità sta ruotando. In questo caso, i due fasci laser che si muovono in direzioni opposte avranno frequenze diverse tra loro, la cui differenza, rilevabile registrando il segnale interferometrico di sovrapposizione, è proporzionale alla velocità di rotazione. Questo fenomeno è noto come effetto Sagnac.

GINGERino è quindi un interferometro molto particolare perché altamente simmetrico nella sua geometria, e grazie a questo fatto molti dei rumori tipici degli interferometri standard vengono fortemente attenuati, permettendo di misurare con precisione anche fenomeni descritti dalla relatività generale. Le differenze temporali, come detto, sono proporzionali alla rotazione della cavità stessa, ma differenze temporali potrebbero anche essere causate da variazioni delle leggi fondamentali della fisica. Questo è alla base dell’importanza per la fisica fondamentale dei sensori di rotazione basati sull’effetto Sagnac.

Inoltre, il segnale da misurare, a differenza dei più comuni interferometri, come quelli di Michelson o di Mach-Zender, non è una fase ma una frequenza. Questo rappresenta un ulteriore vantaggio, in quanto le misure di frequenza si basano sulle misure di tempo, che sappiamo eseguire con grande precisione. In pratica, questo significa che lo stesso strumento attaccato alla crosta terrestre può fornirci il segnale rotazionale dovuto a un terremoto, e quello piccolissimo delle precessioni dovute alla relatività generale, permettendo di ‘vedere’ la relatività in una stanza. E la sensibilità limite è il parametro che dice fino a che punto possiamo ‘ingrandire’ la realtà che ci circonda, e possibilmente investigare le deviazioni della natura rispetto alla teoria.

L’analisi dati. Nonostante i giroscopi laser ad anello siano potenzialmente in grado di individuare le perturbazioni relativistiche sulla propagazione dei segnali luminosi e di fornire uno strumento alternativo per il monitoraggio delle proprietà geodetiche e dei fenomeni geologici, come i terremoti, su scala globale e locale, il loro utilizzo è stato fino ad oggi limitato a causa della difficoltà che presenta l’analisi dei dati prodotti. Questa analisi deve, infatti, tener conto delle complesse dinamiche del laser che genera i due fasci controrotanti all’interno della cavità, e del rumore prodotto dall’azione di forze esterne. Da qui, la scelta da parte dei ricercatori e delle ricercatrici della collaborazione GINGER, che gestisce il prototipo GINGERino, di utilizzare un dimostratore tecnologico, GINGERino appunto, ancorato alla roccia nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, al riparo dagli agenti atmosferici, al fine di studiare soluzioni per realizzare un futuro interferometro, GINGER, con una maggiore sensibilità, e di migliorare la capacità di discriminazione dei dati da esso acquisiti.

Riassumendo. Il risultato ottenuto dalla collaborazione GINGER grazie a GINGERino è importante per diverse ragioni:

Sensibilità limite: la sensibilità raggiunta, dell’ordine dei femto-radianti al secondo, rappresenta un nuovo record per la misura delle rotazioni con qualsiasi tecnologia. Questo livello di sensibilità consente di rilevare cambiamenti rotazionali estremamente piccoli, cruciali per una varietà di applicazioni scientifiche e tecnologiche.
Funzionamento dei giroscopi laser ad anello: il fatto che la sensibilità misurata superi le previsioni del modello attualmente usato per la stima delle performance di questi strumenti, modello che assume che i due fasci siano completamente indipendenti, indica che l'attuale comprensione delle limitazioni in sensibilità nei giroscopi Sagnac è incompleta.
Applicazioni: questa maggiore sensibilità apre numerose possibilità per l'uso dei giroscopi ad anello di grande dimensione in diversi campi:
Fisica Fondamentale: la misura delle rotazioni con questa sensibilità rende possibile la verifica sperimentale di alcuni principi fondamentali, come ad esempio l’invarianza di Lorentz.
Relatività Generale: GINGER pensato inizialmente per la misura dell’effetto Lense-Thirring si propone come apparato che, misurando con elevata precisione la rotazione terrestre, potrà fare test di validità di teorie estese della gravità, oltre che misurare, per la prima volta da terra, gli effetti dovuti al gravitomagnetismo legato alla rotazione terrestre.
Geofisica e geodesia: poter misurare, con elevato range dinamico e precisione, la rotazione locale della crosta terrestre, renderà i dati di GINGER utili anche per studi di sismologia rotazionale e per studi di geodesia.

L’esperimento GINGER, di cui GINGERino è il prototipo, è in costruzione ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN grazie ad una collaborazione INFN e INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia), e sarà parte del laboratorio sotterraneo geofisico UGGS (Underground Geophysics at Gran Sasso).