La ricerca di base in fisica delle particelle risulta a volte difficile da raccontare perché si conduce in luoghi remoti o difficilmente accessibili, con esperimenti sotterranei o addirittura negli abissi, oppure impossibili da raggiungere, come il nucleo di una stella o quello di un atomo. Il visitor centre dei Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN, a Catania, prova ad avvicinare il pubblico a questa ricerca attraverso un percorso di visita fatto di installazioni immersive e interattive.

Carla Distefano, prima ricercatrice dei Laboratori Nazionali del Sud, si è occupata per molto tempo di raccontare la ricerca ai LNS ed è stata recentemente coinvolta in prima persona nell’osservazione del neutrino più energetico mai rivelato, realizzata dall’esperimento KM3NeT, un’infrastruttura di ricerca situata in fondo al mare a largo di Capo Passero (SR). Le abbiamo chiesto di raccontarci l’esperienza del visitor centre dei Laboratori, e, fra le altre, la sala immersiva dedicata proprio all’esperimento KM3NeT.

Quando nasce il visitor centre dei Laboratori Nazionali del Sud?
Ai Laboratori Nazionali del Sud abbiamo da sempre aperto al pubblico le sale sperimentali, limitandoci però a brevi periodi, in cui gli esperimenti non erano in attività. Ci sono poi alcune attività di ricerca che è difficile spiegare al meglio solo attraverso la visita ai Laboratori. Il visitor centre dei LNS nasce proprio per rispondere a queste esigenze. È stato sviluppato in collaborazione con l’Ufficio Comunicazione INFN, promosso dal Comitato di Coordinamento della Terza Missione dell’INFN  e inaugurato nel luglio del 2019, grazie anche alla volontà dell’allora direttore dei LNS Giacomo Cuttone.

Avere un luogo dedicato al pubblico ci consente di raccontare la nostra attività di ricerca tutto l’anno, coinvolgendo i visitatori in un percorso di visita quasi interamente interattivo, che permette di toccare con mano tutte le nostre attività di ricerca. Ciò rende di fatto il visitor centre in sé un’installazione permanente dei LNS.

Che tipo di accoglienza ha ricevuto?
È stato fin da subito un successo. Dopo pochissimo tempo, purtroppo, abbiamo dovuto interrompere le attività a causa della pandemia; superata la crisi pandemica, però, abbiamo ricominciato con le visite. Nel 2024 abbiamo avuto più di 3000 visitatori, tra cui tanti ragazzi delle scuole secondarie di I grado e primarie, anche grazie alla collaborazione con INFN Kids (il progetto nazionale dell’INFN che si dedica ai più piccoli). Abbiamo anche realizzato dei tour virtuali, un modo in più per far scoprire il visitor centre anche a chi è lontano e invitare le persone a venirci a trovare.

Seguendo i neutrini come fil rouge di questa visita, addentriamoci nell’area del visitor centre dedicata al cosmo. Come inizia il percorso?

Appena entrati nell’ala “Cosmo”, l’attenzione è subito attirata da una grande proiezione della nostra galassia, così come viene osservata con la luce visibile. Muovendosi lungo la parete di proiezione, l’immagine della galassia cambia: il visitatore scopre così che la nostra galassia, e in generale l’universo, può essere osservata non solo con la luce visibile che emette, ma anche attraverso tutto lo spettro delle radiazioni elettromagnetiche. Alla radiazione si aggiungono anche altri messaggeri che portano informazioni sull’universo: le onde gravitazionali, i raggi cosmici e i neutrini. L’installazione è dedicata infatti all’astronomia multimessaggera, un nuovo modo di osservare l’universo mettendo insieme le informazioni che provengono da diversi messaggeri. È come costruire un grande puzzle le cui tessere sono informazioni portate dai messaggeri; una volta messe insieme, possono fornire il quadro generale della sorgente oggetto del nostro studio. In questa ricerca, i neutrini giocano un ruolo molto importante: poiché interagiscono pochissimo con la materia, possono giungere sulla Terra da distanze molto estese senza essere deviati. In più, poiché nell’universo allontanarsi nello spazio significa anche allontanarsi nel tempo, alcuni neutrini che provengono da lontano arrivano in realtà da tempi molto remoti della storia dell’universo.

I neutrini possono anche raggiungere la Terra da sorgenti più vicine, come il nostro Sole e le altre stelle. Le stelle sono anche sede di tanti fenomeni astrofisici estremamente interessanti, di cui ricercatori e ricercatrici dei LNS si occupano da tempo.

Lo studio delle reazioni nucleari che avvengono all’interno delle stelle – l’astrofisica nucleare – è un argomento di ricerca portato avanti ai LNS da anni dal gruppo di ricerca ASFIN. Proseguendo la visita, infatti, si entra nella sala immersiva dedicata all’evoluzione stellare. Qui il visitatore segue tutte le fasi dello sviluppo di una stella attraverso le proiezioni su tre delle quattro pareti: il collasso gravitazionale che dà origine alla stella, le reazioni di fusione all’interno del nucleo nel corso della sua vita, fino alla fase finale che potrebbe avvenire con l’esplosione di una supernova, da cui si originano anche neutrini e elementi pesanti della tavola periodica. La rivelazione di neutrini in questo caso permette di ottenere informazioni sulle parti centrali delle stelle, non accessibili alle osservazioni, e indagare i meccanismi di produzione di alcuni elementi chimici nel cosmo.

I neutrini al centro della recente scoperta non sono però quelli prodotti nelle stelle, ma vengono da molto lontano: come li studiate ai Laboratori Nazionali del Sud?
Lo studio dei cosiddetti neutrini astrofisici, o neutrini di alta energia, è il campo di ricerca dell’esperimento KM3NeT, a cui è dedicata l’ultima sala di questa area del visitor centre. KM3NeT è uno degli esperimenti bandiera dell’INFN, oltre a trattarsi di un esperimento molto grande in termini di dimensioni. Si tratta infatti di un’infrastruttura di ricerca sottomarina multi-sito, costituita da due diversi rivelatori. Il rivelatore ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) si trova in Francia ed è dedicato allo studio delle proprietà fisiche del  del neutrino, mentre il rivelatore ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) è situato qui in Sicilia, al largo di Capo Passero (SR) è dedicato alla neutrino astronomia.

KM3NeT è ancora in fase di costruzione, ma ha già dimostrato di essere un esperimento competitivo nel suo settore di ricerca. KM3NeT ha infatti recentemente osservato il neutrino di energia più alta mai osservato fino ad ora (qui link alla notizia di approfondimento). Osservare più neutrini di altissima energia permetterebbe di studiare alcuni parametri fisici che ancora non si conoscono molto bene, come la composizione chimica o il limite massimo di accelerazione dei raggi cosmici, o ancora l’evoluzione cosmica delle loro sorgenti.  Non possiamo certo dare risposta a tutti questi quesiti con un solo evento, ma questa osservazione apre un nuovo importante scenario nel campo dell’astrofisica delle altissime energie.

L’ambiente dedicato a KM3NeT è una sala immersiva, in cui le proiezioni coprono tutte le pareti. Come mai è stata allestita in questo modo?

Entrando nella sala KM3NeT, il visitatore ha la sensazione di essere in fondo al mare, circondato dagli elementi del rivelatore: dei filari alti circa 700 metri in cui sono alloggiati dei moduli ottici, delle “sfere” sospese in acqua che sono dei sensori di luce. Quando un neutrino interagisce con l’acqua del mare o con le rocce in prossimità del rivelatore, produce altre particelle cariche, come gli elettroni, che, propagandosi in un mezzo trasparente come l’acqua ad altissima energia, emettono luce. Nella sala è simulato quanto accade: è possibile vedere sulle pareti la scia luminosa emessa dal passaggio di una particella, che è indice dell’avvenuta interazione di un neutrino in prossimità del rivelatore. La luce emessa è in realtà molto debole, ma i moduli ottici di KM3NeT possono catturarla, come “occhi” del rivelatore; incrociando i dati relativi alla posizione dei moduli, all’intensità della luce registrata e al tempo di misura della luce, è possibile ricostruire la direzione e l’energia della particella che ha emesso luce e quindi risalire alle informazioni che riguardano il neutrino. Uno dei moduli di KM3NeT è anche esposto all’ingresso della sala.

Questa è una sala immersiva non soltanto da un punto di vista visivo, ma anche sonoro.  KM3NeT, oltre ad avere degli “occhi”, ha anche delle “orecchie”. I filari di moduli ottici non sono delle strutture rigide, ma si muovono in balìa delle onde delle correnti marine. Per ricostruire le tracce delle particelle, abbiamo bisogno di sapere istante per istante qual è la posizione esatta dei moduli ottici. Lo facciamo con dei sistemi di posizionamento acustico, simili alla tecnica dei sonar: ogni modulo ottico ha a bordo un idrofono, una sorta di microfono sottomarino, attraverso il quale registriamo dei segnali acustici provenienti da emettitori di riferimento, che ci permettono di ricostruire le posizioni dei moduli stessi. Queste “orecchie” ci danno l’opportunità di ascoltare anche altri suoni che ci sono in fondo al mare: all’interno della sala KM3NeT ogni tanto è possibile anche sentire alcune delle registrazioni dei cetacei nel Mediterraneo che sono state effettuate con la nostra strumentazione.

L’altra ala del visitor centre racconta invece la ricerca dei LNS nel campo della fisica applicata. Quali applicazioni vengono raccontate?
L’ala “Salute e arte” è suddivisa a sua volta in due sale dedicate, rispettivamente, alla fisica medica e ai beni culturali. I Laboratori Nazionali del Sud ormai da tanti anni si dedicano alle applicazioni in campo medico, in particolare all’adroterapia nell’ambito del progetto CATANA. Abbiamo anche effettuato trattamenti adroterapici su pazienti, in collaborazione con realtà ospedaliere. La sala abbraccia tutte le applicazioni della fisica in campo medico: dai raggi X alla PET, alla risonanza magnetica e naturalmente alla cura dei tumori con adroterapia. Oltre ad osservare alcune parti di strumentazioni dedicate a questa ricerca, in questa sala il visitatore può ripercorrere alcune tappe storiche della fisica medica interagendo con un monitor touch screen e attraverso alcuni filmati di approfondimento dedicati alle varie tecniche di imaging.

L’altra sala invece è dedicata ai beni culturali; l’uso di alcune tecniche fisiche per lo studio delle opere d’arte è finalizzato alla determinazione della composizione chimica per poterli conoscere e preservare al meglio, a volte anche per scoprire se si tratta di un oggetto autentico o di un falso. L’installazione contenuta in questa sala permette al visitatore di scoprire gli strati nascosti e le componenti dei diversi pigmenti di alcune opere, osservandone l’analisi prodotta con la tecnica della fluorescenza a raggi X sviluppata nel laboratorio LANDIS.

Qual è stato il riscontro di pubblico che avete osservato in questi anni?

Gli studenti e le studentesse delle scuole superiori sono quelli che manifestano il maggiore interesse nella visita del visitor centre, ma questa è una tendenza che non ci stupisce: è un interesse che c’è sempre stato, anche quando le visite ai LNS riguardavano solo le sale sperimentali, e che abbiamo visto aumentare negli anni grazie all’esperienza immersiva del visitor centre. Più sorprendente per noi è la crescente partecipazione dei più piccoli. Le prime visite dedicate a loro sono iniziate una decina di anni fa, ma adesso negli spazi del visitor centre abbiamo l’occasione di accoglierli più spesso e di organizzare anche dei piccoli esperimenti per coinvolgerli, con un ottimo riscontro. Mi colpisce sempre molto interagire con i bambini, non ci aspettiamo che un bimbo o una bimba sotto i 10 anni possa essere così attratta dalla fisica.

Come si integra il visitor centre nella vita di chi lavora ai Laboratori Nazionali del Sud?
Noi ricercatrici e ricercatori siamo chiamati a turno a fare da guida nelle visite, coordinati dalla responsabile del visitor centre, la dott.ssa Di Mauro. È una chiamata a cui aderiamo in maniera volontaria e sempre con grande entusiasmo. Il visitor centre è diventato un ulteriore punto di aggregazione per chi lavora ai LNS, nonché l’occasione per uscire dai nostri laboratori ed entrare in contatto con il pubblico per condividere la nostra passione per la ricerca. Questa attività richiede cura e attenzione nell’entrare in relazione con le persone e trovare le parole giuste per raccontare concetti che solitamente vengono considerati ostici. Chiunque può avvicinarsi e rimanere affascinato dal mondo della fisica, come è accaduto a chi fa ricerca, comunicare questo messaggio credo che sia una missione molto importante per noi ricercatori. E a volte quello che restituisce il pubblico è molto più emozionante che presentare il proprio risultato ad una conferenza specializzata!