Quando si parla di fisica delle particelle molti pensano immancabilmente al grande acceleratore di particelle LHC del CERN. Eppure la fisica delle particelle viene studiata non solo a Meyrin vicino Ginevra ma praticamente in tutte le Università Svizzere. Inoltre, non tutte le problematiche ruotano intorno alla fisica delle alte energie. Un grande impegno nel campo della scienza viene riversato anche nella fisica delle basse e medie energie o nello studio di neutrini e astroparticelle. Nell’Università di Basilea la ricerca nel campo della fisica persegue una tematica chiave del tutto propria: le scienziate e gli scienziati che lavorano con il Prof. Bernd Krusche si occupano dello studio dell’interazione forte applicando metodi unici in tutto il territorio svizzero. L’interazione forte è una delle quattro forze fondamentali della natura, insieme alla forza elettromagnetica, all’interazione debole e alla forza gravitazionale. I ricercatori di Basilea vogliono capire in che modo l’interazione forte riesca a ‘incollare’ tre quark in un protone o in un neutrone e a creare così la stabilità dei nuclei atomici. Il loro intento – per dirla con Faust – è quello di scoprire che cosa tiene unito il mondo nella sua intima essenza.
Comprendere la fisica nell’applicazione pratica
Un quesito quindi solenne e affascinante. Un quesito per il quale non basta la competenza specifica di una sola persona, ma che monopolizza lo zelo di ricerca di un’intera équipe di scienziati a Basilea. Membro dell’équipe è anche Lilian Witthauer (29), cresciuta a Flüh (SO) e Basilea. Lilian Witthauer non nasce però come fisica delle particelle. Negli anni della scuola era interessata all’arte, ma presto ha rivolto il proprio interesse verso le scienze naturali. In seguito, nel Liceo Leonhard di Basilea, Lilian Witthauer ha incontrato la sua insegnante di fisica, che le ha trasmesso l’entusiasmo per la sua materia: «Per la materia complementare della fisica andavamo a visitare una centrale nucleare e lavoravamo con sorgenti radioattive; in questo modo la nostra docente ci ha fatto comprendere la fisica nell’applicazione pratica », racconta Witthauer.
Lilian Witthauer ha conseguito lo studio di bachelor e il master all'Università di Basilea e si è dedicata alla fisica sperimentale. È poi entrata in contatto con il gruppo di ricercatori di Bernd Krusche che approfondisce le interazioni forti, studiando gli spettri di eccitazione dei nucleoni (protoni e neutroni). È proprio in questo campo che ha scelto l’argomento per la tesi di dottorato, ormai quasi pronta e per la quale il 29 giugno, nel Castello di Bossey a nord di Ginevra, è stata insignita con il premio CHIPP 2015. Il premio viene assegnato ogni anno dallo Swiss Institute of Particle Physics (Istituto Svizzero di Fisica delle Particelle) (CHIPP), l’organizzazione suprema delle varie istituzioni svizzere di fisica delle particelle, per il lavoro eccellente di una giovane ricercatrice o di un giovane ricercatore.
Il segreto dei mesoni eta
Per studiare lo spettro di eccitazione di protoni o neutroni occorre bombardarli con fotoni. Sottoposti a bombardamento i nucleoni entrano in stati risonanti (risonanze), che in seguito si disgregano provocando l’emissione di diverse particelle. Nella sua tesi di dottorato Lilian Witthauer ha studiato una possibile reazione di disgregazione: quella in cui un neutrone (o protone) viene bombardato con un fotone e poi si disgrega in un neutrone (o protone) e un mesone eta. I mesoni eta sono composti da una coppia di un quark e un antiquark. Sono instabili, ciò significa che possono essere osservati solo per un tempo brevissimo prima di disgregarsi di nuovo.
Per svolgere gli esperimenti per la tesi di dottorato, per diverse settimane Lilian Witthauer si è recata più volte a Bonn e a Magonza. Le due città tedesche posseggono gli acceleratori di elettroni che occorrono alla ricercatrice di Basilea per i suoi esperimenti. Questi impianti accelerano gli elettroni con campi di interazione elettromagnetica. Qui si forma la radiazione di frenamento, che è composta da particelle di luce (fotoni) che gli scienziati scagliano contro un disco obiettivo (bersaglio). Il bersaglio è formato per esempio da idrogeno (il cui nucleo è composto da un solo protone) o deuterio (il cui nucleo è composto da un neutrone e un protone). Con questa disposizione i fisici sperimentali possono provocare la collisione di fotoni con protoni e neutroni. Lilian Witthauer ha ricercato quel tipo di disgregazioni dalle quali si forma un mesone eta.
Materiale per migliorare le teorie
Perché tutto questo affannarsi? La cromodinamica quantistica (QCD), che esiste da molto tempo, non è già una teoria che descrive molto bene l’interazione forte? «Si, è vero, per le alte energie i calcoli della teoria delle perturbazioni della QCD forniscono previsioni valide,» spiega la fisica di Basilea, «tuttavia con le basse energie occorrono altri approcci risolutivi, per esempio modelli fenomenologici o metodi di calcolo intensivo, per descrivere la natura adeguatamente. La mia ricerca fornisce le basi sperimentali che danno la possibilità ai fisici teorici di sviluppare modelli migliori per la descrizione dell’interazione forte.» La disgregazione mediante il mesone eta è di particolare interesse dal momento che consente solo determinate risonanze, che poi possono essere studiate con maggiore facilità.
Nel corso dei suoi esperimenti a Bonn e Magonza Lilian Witthauer ha scoperto una differenza interessante: i protoni e i neutroni eccitati sottoposti a emissione di un mesone eta si comportano in maniera differente. «Grazie ai miei risultati sperimentali posso escludere determinati modelli che erano stati sviluppati per spiegare l'interazione forte», dice Witthauer. «Appena i miei dati saranno pubblicati, i teorici potranno di nuovo ottimizzare i propri modelli e i libri.»
Interesse per la ricerca sul cancro
Con il suo lavoro scientifico Lilian Witthauer offre un contributo alla comprensione dell’universo. La ricerca l’affascina e dopo aver concluso la formazione desidererebbe continuare a lavorare in questo campo. «Vorrei realizzare qualcosa nel mio lavoro che dia un senso a tutto quanto ho fatto finora, magari con l’applicazione sull’uomo», dichiara la scienziata che nel tempo libero ama fare jogging, disegnare e fotografare. Parallelamente alla ricerca pura ha conseguito uno studio post-laurea in fisica medica presso il Politecnico di Zurigo. «In questo campo le nuove tecnologie sono della massima importanza. Mi piacerebbe gettare un ponte tra la ricerca pura e l’applicazione pratica», così la Witthauer.
Adesso però può prima concedersi di gioire del premio appena ricevuto. È il secondo riconoscimento per il suo lavoro scientifico, dal momento che la dottoranda aveva già ricevuto una borsa di studio Dreyfus all’Università di Basilea. «Il premio CHIPP è un onore per me e un riconoscimento del mio lavoro», dichiara Lilian Witthauer, «e conferisce visibilità su scala nazionale alla ricerca fisica che conduciamo qui nell’Università di Basilea».
Benedikt Vogel (pubblicato il 29 giugno 2015)
Link a due pubblicazioni scientifiche di Lilian Witthauer (Links)
