Quella dei Laboratori nazionali del Gran Sasso è una storia di roccia e di navi affondate cariche di piombo, di intuizioni geniali e di cose invisibili, che sappiamo esserci ma non riusciamo a vedere. È un racconto nato italiano e cresciuto internazionale, che narra di tutti quelli che vanno sotto terra per guardare le stelle.
E come ogni storia sotterranea che si rispetti anche questa inizia con una galleria, quella del Gran Sasso per l’appunto, che attraverso l’A24 unisce la provincia dell’Aquila a quella di Teramo e la cui prima canna venne aperta al pubblico nel 1984. Pochi anni prima, nel 1979, l’allora presidente dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn) Antonino Zichichi ebbe un’intuizione destinata a cambiare radicalmente il modo in cui l’Uomo studia l’universo.
Perché non utilizzare la roccia per proteggersi da tutto ciò che in ogni istante cade dal cielo e che va a interferire con esperimenti e misurazioni? E perché non farlo in Italia, sfruttando un immane sforzo ingegneristico già in atto? Sorgono così i Laboratori nazionali del Gran Sasso (Lngs), uno dei quattro centri di ricerca dell’Infn insieme a Frascati, Sud (Catania) e Legnaro e che venne inaugurato ufficialmente nel 1993, in concomitanza con l’apertura della seconda galleria del tunnel autostradale.
Sottotterra
Fin da subito si capisce che si tratta di qualcosa di mai visto prima, dato che allora così come oggi si tratta del più grande centro di ricerca sotterraneo del mondo. Ma perché farlo sottoterra?
«La roccia del Gran Sasso costituisce uno straordinario schermo naturale contro i raggi cosmici, continuo flusso di particelle provenienti dall’universo e in particolar modo protoni: urtando l’atmosfera generano una cascata di particelle tra cui i muoni, elettroni più pesanti che in ogni istante attraversano il nostro corpo – spiega Germano Bonomi, fisico dell’Università degli Studi di Brescia e vicepresidente dell’associazione Alumni (il presidente è Michele Lancellotti), che ha scelto proprio questa meta per il suo quarto viaggio scientifico insieme a circa 40 laureati e laureate dell’UniBs –. A questa profondità, con almeno 1.400 metri di roccia a protezione in ogni direzione, il numero di particelle cosmiche che penetra si riduce di circa un milione di volte rispetto alla superficie e ciò permette agli scienziati di osservare fenomeni rarissimi che, in un laboratorio tradizionale, sarebbero mascherati e alterati dall’interazione con altre particelle».
Questo «silenzio cosmico» fa sì che si possano studiare come in nessun altro luogo sulla Terra fenomeni come i neutrini e la materia oscura.
Come è fatto
Il complesso sotterraneo del Gran Sasso è formato da tre grandi sale sperimentali, denominate A, B e C, ciascuna lunga circa 100 metri, larga 20 e alta 18. Le sale sono collegate da una rete di gallerie e ambienti di servizio, con accesso direttamente dal traforo autostradale. «Col tempo gli esperimenti si sono estesi dalle sale anche agli spazi di servizio – afferma Oliviero Cremonesi, fisico bresciano che per decenni ha lavorato proprio sotto l’appennino abruzzese e che insieme al dottorando di Cazzago San Martino Nicola Manenti ha accompagnato gli Alumni nella visita al centro –. Qui infatti ogni area conta enormemente».
Attualmente sono in corso circa 100 esperimenti, che vedono la partecipazione, oltre che dell’Infn, di una trentina di istituti di ricerca e università di tutto il mondo. Gli scienziati che a vario titolo lavorano ai Lngs, pur non operando tutti in contemporanea sotto la montagna, sono 1.300 e gli investimenti complessivi di enti pubblici italiani, programmi europei e istituzioni scientifiche internazionali sono nell’ordine delle centinaia di milioni di euro, tenendo conto che alcuni esperimenti da soli hanno richiesto più di 100 milioni di finanziamenti ciascuno. Al cuore di roccia del Gran Sasso si affiancano poi le strutture esterne di Assergi distanti pochi chilometri, che ospitano uffici, servizi tecnici e altre attività di ricerca.
Neutrini
Ma cosa si fa ai Laboratori del Gran Sasso? Le ricerche attive sono diverse e dirette verso vari obiettivi, sebbene le principali riguardino i neutrini, ambito che è valso il Nobel 2026 per la Fisica a Francis Halzen, e la materia oscura. Quando si parla di neutrini si intendono particelle elementari subatomiche, prive di carica elettrica e con una massa piccolissima che interagiscono con la materia solo tramite la forza nucleare debole e la gravità. Sono però straordinari messaggeri cosmici, poiché possono raggiungerci direttamente dal cuore delle stelle, siano esse in vita o morenti, o da ambienti astrofisici estremi, portando informazioni che la luce non riesce a trasmettere e permettendoci così di capire cose dell’universo che altrimenti rimarrebbero sconosciute.
Possono inoltre attraversare qualsiasi cosa, «fino a un anno luce di piombo» afferma Bonomi, ed è per questo che in assenza di altri disturbi il Gran Sasso è il luogo privilegiato per cercarli. Cosa non facile, perché questa loro interazione debole ne rende difficile l’identificazione. Ecco quindi che sono stati sviluppati numerosi esperimenti per «vederli». Tra quelli più famosi c’è stato Borexino, ora dismesso, che grazie a uno scintillatore liquido estremamente puro ha osservato i neutrini prodotti dalle reazioni nucleari che alimentano il Sole, consentendo di studiare direttamente i processi che avvengono nel suo nucleo.
Neutrino di Majorana
Ci sono poi Cuore, in dismissione, e il suo successore Cupid, che nel bresciano Cremonesi hanno il loro padre putativo. In questo caso, attraverso quasi mille cristalli di biossido di tellurio raffreddati a una temperatura appena superiore allo zero assoluto, si tenta di rispondere a una delle domande ancora aperte sul neutrino, e cioè se questo sia diverso dalla propria antiparticella oppure se, come ipotizzato dal fisico italiano Ettore Majorana, neutrino e antineutrino siano due manifestazioni della stessa particella ma con elicità opposte.
La conferma del «neutrino di Majorana» potrebbe contribuire a spiegare perché nell'universo osservabile prevalga la materia sull'antimateria. Per verificare ciò gli scienziati cercano un fenomeno rarissimo: il doppio decadimento beta senza emissione di neutrini. Nel doppio decadimento beta ordinario alcuni nuclei atomici si trasformano emettendo due elettroni e due antineutrini. In un processo ipotetico, invece, potrebbero essere emessi soltanto i due elettroni, senza neutrini osservabili nello stato finale. Se venisse scoperto questo processo dimostrerebbe una violazione della conservazione del numero leptonico e fornirebbe una prova fondamentale della natura di Majorana dei neutrini, contribuendo a fornire uno squarcio dell’origine dell’universo.
La nave sommersa
Proprio qui entra in gioco quella nave romana sommersa, affondata tra l’80 e il 50 avanti Cristo, di cui si parlava all’inizio. Quintali di piombo in pani, materiale eccezionale per le schermature, nel 1990 vennero trovati al suo interno nelle acque al largo di Oristano in Sardegna. L’Infn «contribuì con 300 milioni di lire a recuperarlo» ricorda Cremonesi, con il preciso scopo di costruire lo scudo protettivo di Cuore. La scelta fu dettata dal fatto che, dopo più di duemila anni, l'isotopo radioattivo piombo-210 che interferisce con le misurazioni, era decaduto, azzerando quasi la radioattività del materiale.
Materia oscura
Come detto però c’è anche un secondo ambito di ricerca dove ai Lngs si arrovellano centinaia di scienziati. Perché se i neutrini sono difficili da osservare, la materia oscura rappresenta un mistero ancora più radicale. Il problema emerge osservando il movimento delle stelle nelle galassie. In base alla materia visibile, stelle, gas e polveri, la gravità dovrebbe produrre determinate velocità di rotazione. Le stelle si muovono però più rapidamente di quanto ci si aspetterebbe, come se ci fosse una grande quantità di massa invisibile che contribuisce ad attrarle gravitazionalmente.
Secondo il modello cosmologico oggi più accreditato la materia ordinaria costituisce infatti soltanto il 5% circa del contenuto complessivo di massa ed energia dell'universo, mentre la materia oscura ne rappresenta il 27%, con il restante 68% attribuito all'energia oscura (fenomeno associato all'espansione accelerata del cosmo). In altre parole circa il 95% del contenuto dell'universo ha una natura che ancora non conosciamo pienamente. Sappiamo quindi che questa materia oscura, denominata in tal modo in quanto non interagisce con la luce, esiste, ma non riusciamo a vederla. La osserviamo indirettamente attraverso i suoi effetti gravitazionali, ma non abbiamo ancora identificato le particelle che potrebbero costituirla.
Ecco quindi che tra i più ambiziosi progetti dei Laboratori nazionali del Gran Sasso c'è DarkSide-20k, in costruzione nella sala C. In poche parole si riempie un contenitore con argon liquido ultrapuro e si aspetta che un'eventuale particella di materia oscura colpisca uno dei nuclei atomici presenti al suo interno. Un'interazione di questo tipo potrebbe produrre una piccolissima quantità di luce e di carica elettrica. Sensori estremamente sensibili cercano di misurare entrambi i segnali, ricostruendo ciò che è accaduto.
Notte e giorno
Questi esperimenti sono però solamente la punta dell'iceberg di una galassia fatta di scienziati e progetti che sotto la vetta del Gran Sasso cerca risposte ad alcune delle domande più importanti della scienza moderna. Perché lì sotto, dove giorno e notte sono la stessa cosa e dove la pioggia dell’universo lascia indifferenti, si cerca nell'oscurità di accendere una luce, sul passato delle galassie e sul futuro dell’umanità. Per fare questo tutto servono dedizione, conoscenze, fortuna e tanti soldi. Persino un carico di piombo sommerso nelle profondità marine di una nave romana.
