Bruno Touschek:

vita di un grande scienziato

David Alesini e Andrea Ghigo

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Laboratori Nazionali di Frascati

BRUNO TOUSCHEK

Touschek nacque a Vienna nel 1921 da un ufficiale dell’esercito Austriaco e madre ebrea

Il padre dovette lasciare l’esercito nel 1932 all’età di 31 anni quando il potere fu preso dai filo fascisti.

Nel ’36 fu ricostituito il partito nazional socialista con una recrudescenza dell’antisemitismo e nel ’37 Touschek dovette lasciare la scuola per l’entrata in vigore delle leggi razziali a causa del suo

“sangue misto”

Continuò a frequentare i compagni di scuola che lo tennero al corrente degli avvenimenti e gli suggerirono di andare a sostenere gli esami finali in un’altra scuola dove non conoscessero la sua situazione: così fece e passò gli esami con ottimi voti.

UNIVERSITÀ IN ITALIA

Nel 1938 venne a Roma a passare le vacanze di fine anno scolastico come era tradizione della borghesia dell’epoca. Allo stesso periodo risale

l’annessione dell’Austria alla Germania di Hitler.

Anche se Mussolini era favorevole al governo di Hitler, l’atteggiamento verso gli ebrei era più “morbido” e Bruno trovò più prudente iscriversi ai primi due anni di Ingegneria dell’Università di Roma invece di tornare a Vienna. In Facoltà seguì i corsi di Analisi Matematica tenuti da Francesco Severi

Nello stesso tempo chiese il visto per andare in Gran Bretagna a studiare chimica a Manchester.

Gli fu detto che poteva ottenere il visto attraverso una organizzazione di Quaccheri che aveva sede a Vienna. Tornò, quindi, in Austria. Nel settembre del ’39 scoppiò la seconda guerra mondiale e gli fu impossibile partire per la Gran Bretagna.

UNIVERSITÀ IN GERMANIA

Touschek rimase a Vienna e frequentò

i corsi di fisica e matematica cercando

di “non dare nell’occhio” ma nel Giugno

del ’40 gli fu comunicato che non

poteva più frequenare l’università

per ragioni razziali.

Nel frattempo studiando un libro di fisica atomica di Sommerfeld (un famosissimo professore di Monaco), trovò piccoli errori e, consigliato dal suo professore di matematica Hlawka, scrisse a Sommerfeld il quale lo ringraziò e gli fece revisionare un altro importante trattato. Gli consigliò, inoltre, di andare all’Università di Amburgo, dove non lo conosceva nessuno, da un famoso chimico-fisico: Harteck.

Touschek visse ad Amburgo facendo più lavori in parallelo (per mantenersi) e cambiando casa continuamente per non farsi individuare.

TOUSCHEK STUDENTE-LAVORATORE

Lavorò presso un ditta, affiliata della Philips, che sviluppava i Klystron, (tubi che producono potenza elettromagnetica a radiofrequenza) utilizzati nelle telecomunicazioni.

All’Università seguiva i corsi senza registrarsi e in particolare quelli del Prof. Lenz, che lo ospitò a lungo in casa sua, e di Jensen (premio Nobel).

Lavorò anche presso la Lowenradio (poi Opta) dove fu impegnato nello sviluppo di particolari tubi catodici compatti. Lì venne a sapere della proposta di Rolf Wideroe (uno dei padri fondatori degli acceleratori di particelle) di costruire un betatrone.

Dopo aver letto la trattazione della parte teorica riguardante la stabilità delle orbite descritte dalle particelle,

Touschek trovò degli errori, scrisse aWIDEROE

Wideroe che subito lo chiamò a partecipare al progetto.

LA PRIGIONIA

Bruno Touschek spesso andava alla Camera di Commercio di Amburgo dove poteva leggere i giornali stranieri. Fu notato per queste ripetute visite e all’inizio del ’45 la Gestapo la arrestò in base alle leggi razziali.

Rolf Wideroe andava a trovarlo spesso in prigione portandogli cibo, i suoi cari libri e soprattutto le sigarette. Durante le visite parlavano di scienza e del progetto del betatrone.

In prigione Touschek concepì la teoria del “radiation damping”, per la quale la luce emessa dagli elettroni curvati da un campo magnetico contribuisce a stabilizzare gli elettroni circolanti nell’acceleratore stesso.

A Marzo del ’45 arrivò l’ordine di trasferire i prigionieri da Amburgo al campo di concentramento Kiel. Nonostante la febbre alta che in quel momento aveva fu costretto a lasciare la prigione. Mentre marciava portando con sè un pesante pacco con i suoi libri, Touschek svenne, Un ufficiale delle SS prese la pistola e gli sparò alla testa. Lo colpì vicino all’orecchio sinistro. La ferita non era grave ma uscì molto sangue e pensando che fosse morto lo lasciarono lì svenuto.

LA LIBERAZIONE

Passò un gruppo di civili e mentre discutevano se l’uomo abbandonato sulla strada fosse morto o meno, Touschek si riprese e chiese di telefonare. Gli indicarono un edificio, che si rivelò essere un ospedale, dove lo curarono. Purtroppo il direttore chiamò la polizia e lo arrestarono di nuovo portandolo nel carcere di Altona. Nei suoi racconti di prigionia (ad Amaldi) Touschek descrisse questo secondo carcere come “antico” con guardie “gentili” nei confronti dei prigionieri.

Liberato dagli Inglesi riprese a lavorare al betatrone che nel frattempo era stato trasferito a Wrist vicino al confine Danese.

All’inizio del ’46 frequentò la prestigiosa Universita’ di Gottinga dove incontrò molti illustri fisici del tempo e si laureò.

GLASGOW

Nel Febbraio del 1947 Touschek partì per Glasgow dove era in costruzione un acceleratore di particelle di alta energia (per l’epoca): un sincrotrone di 350 MeV.

Lavorò sugli aspetti teorici dell’acceleratore e ottenne il diploma PhD (il nostro dottorato di ricerca) con una tesi sulla produzione di mesoni (particella di energia intermedia fra elettrone e protone) tramite gli elettroni.

Scrisse molti articoli teorici sui modelli nucleari, sulla produzione di pioni nell’urto protone-protone, sulla densita’ dei livelli di energia dei nuclei, ma soprattutto sul formalismo dell’elettrodinamica quantistica che riteneva una teoria tanto elegante che si potesse estendere alle interazioni

deboli precorrendo la teoria unificatrice elettro-debole.

BRUNO TOUSCHEK A ROMA

Nel Dicembre del 1952 Touschek tornò

a Roma, ospite della zia Ada, per

incontrare Bruno Ferretti, professore di

Fisica teorica del quale aveva letto gli

articoli scientifici.

Edoardo Amaldi, che era un vero

“talent scout”, si ricordo’ del brillante

giovane teorico Austriaco che era

stato a Roma nel 1938, gli offri’ un

posto all’Università di Roma e

Touschek accettò.

All’inizio lavorò con Radicati, Morpurgo e Cini su problemi fondamentali e le interazioni deboli. Dai racconti di Ferretti ad Amaldi risultava anche che Touschek aveva avuto l’idea, poi sviluppata da Weimberg e Salam, che si potessero unificare la teorie elettromagnetica e debole.

BRUNO TOUSCHEK LA MOTO E LE VIGNETTE

Con la moto che Touschek chiamava Josephin e che

riteneva in grado di portarlo a casa senza pericolo anche

quando aveva bevuto con gli amici, una notte ebbe un

incidente.

Andò a sbattere contro una macchina e picchiò la testa.

Quando lo portarono all’ospedale si arrabbiò moltissimo con

il primario. Mandarono a chiamare Valentino Braitemberg,

giovane psichiatra (divenuto poi il direttore del Max Plank

Institute di Gottinga), che parlava tedesco e gli fece evitare

una denuncia dicendo che era il trauma e non l’alcool che

aveva provocato la sfuriata. Da allora divennero grandissimi

amici!

Touschek non

perdeva

occasione con i

suoi disegni di

ironizzare sui

comportamenti

dei colleghi e

studenti

dell’Università.

TOUSCHEK E I LABORATORI DI FRASCATI

• Per capire il legame di Bruno Touschek con Il nostro territorio ed il

contributo importantissimo dato alla fisica degli acceleratori di particelle è

bene decrivere la nascita dei laboratori di Frascati

Discussione sul verso dei campi magnetici e del moto delle particelle

in un acceleratore

FISICA NUCLEARE IN ITALIA: ANTEFATTO

L’idea di proseguire il filone di studi sulla fisica atomica aperto da Enrico Fermi e dai ”ragazzi di via Panisperna” negli anni ‘20 era sempre stato forte.

Purtroppo prima la guerra poi le ristrettezze economiche legate al dopo-guerra rallentarono il progetto di costruire acceleratori di particelle di alta energia come si cominciava, invece, a fare in America. Ma il fermento di quella scuola che ormai era stata creata ed enumerava fra i migliori fisici nucleari e delle particelle del mondo non era arrestabile.

Nel 1948 fu creato sul Cervino un laboratorio per l’osservazione dei raggi cosmici nell’attesa di “farseli in casa con gli acceleratori”, come diceva Gilberto Bernardini, e alla Testa Grigia a 3500 m di altezza si incontrarono fisici di tutte le universita’ italiane istituendo forti legami personali e professionali che risultarono fondamentali per la crescita dell’INFN

COME SI DECISE LA COSTRUZIONE DEL

SINCROTRONE A FRASCATI

La richiesta di Amaldi e Gilberto Bernardini di costruire un acceleratore in Italia arrivò fino a De Gasperi, tramite Leone Cattani Ministro dei Lavori Pubblici, ma la finanza pubblica aveva altre priorità in quel periodo di ricostruzione.

Il prof. Francesco Giordani allora contatto’ l’onorevole Pietro Campilli, Ministro dell’Industria, che si rivelò fortemente interessato alle iniziative di studio sul nucleare.

Amaldi, Giordani e Campilli concordarono di istituire il Comitato Nazionale per la Ricerche Nucleari CNRN per Decreto del Presidente del Consiglio e finanziato dall’IRI e dal Ministero dell’Industria.

Si decise la costruzione di un Sincrotrone di energia compresa fra i 500 ed I 1000 MeV.

PERCHÈ FRASCATI?

Si contendevano la realizzazione del Laboratorio Milano, Roma e Pisa

Ma quando gli industriali milanesi capirono che il sincrotrone non era una macchina per ricerca sull’energia preferirono gli studi sulla realizzazione di un reattore nucleare (realizzato poi ad Ispra).

Il Ministro Campilli, illustre frascatano, convinse l’amico senatore Pietro Micara sindaco di Frascati a regalare un terreno dal curioso nome di Macchia dello Sterparo.

La costruzione del Sincrotrone e dell’inesistente centro di ricerca fu affidata a Giorgio Salvini

RICERCATORI A ROMA

Pisa 1955: Ricercatori in partenza per Roma. Nel 1955 la sezione

acceleratore dell'INFN di Pisa inizia il trasferimento a Roma per la

costruzione del sincrotrone. In seguito alla decisione di costruire il

sincrotrone a Frascati, la sezione acceleratore diventera' i “Laboratori

Nazionali di Frascati dell'INFN”.

L’AREA DEI LABORATORI

Il problema della mancanza d’acqua fu risolto scavando un pozzo

di 160 m “Assurdamente profondo fin quasi agli antipodi” (Touschek)

FOTO DI GRUPPO DEL PERSONALE DI FRASCATI

L’ELETTROSINCROTRONE DI FRASCATI

L’elettrosincrotrone è stato il primo acceleratore ad alta energia

realizzato in Italia. Fu approvato nel 1953 e la sua costruzione iniziò

nel 1957. Dopo appena due anni l’acceleratore era operativo.

NASCITA DEI MODERNI COLLIDER

La geniale idea di Bruno Touschek (1960) fu quella di

utilizzare come particelle collidenti, particelle ed

antiparticelle che, nella loro annichilazione, avrebbero

rilasciato tutta la loro energia per creare nuove particelle.

Inoltre i prodotti delle collisioni sarebbero stati

relativamente “semplici” rispetto a quelli prodotti dalla

collisione contro un bersaglio complesso.

Anello di

Rivelatore Accumulazion e

LA PRIMA PAGINA DEL QUADERNO DI APPUNTI

DI BRUNO TOUSCHEK SU ADA

AdA (Anello di Accumulazione) 1960-1965

AdA e’ costituito da un

magnete a

focheggiamento

debole in grado di far

circolare particelle

(e+/e-) con una energia

di 250 MeV.

Registrazione dei primi elettroni accumulati in AdA. La vita media era 21 sec, il numero medio 2.3.

I PRIMI RICERCATORI AD

ADA

Fisici Teorici

Fisici Sperimentali

Giorgio

Ghigo

Carlo Bernardini Gianfranco Corazza

DA ADA A DANE:

LA STORIA DEI MODERNI ACCELERATORI INIZIA A FRASCATI

ADONE 1967-1993

DANE

(1996-)

ADA

COLLISORI

MATERIA- ANTIMATERIA

Sono qui elencati gli

acceleratori di particelle che

hanno utilizzato l’idea di

Touschek di far collidere

particelle e antiparticelle.

Da questi collisori sono stati

effettuati tutti gli esperimenti

piu’ importanti in fisica delle

particelle elementari

LEP E LHC A GINEVRA

27 km

IN BREVE: COME SI ACCELERANO LE PARTICELLE

p momentum

v velocity

q charge

dp

q E v B

dt

LINEARI CIRCOLARI

APPLICAZIONI MEDICHE

PET: diagnostica oncologica

1) Produzione di radioisotopi: protoni da 7-100 MeV accelerati con ciclotroni o linac

2) Radioterapia con raggi X o elettroni

Foglio metallico per la

produzione di raggi x LINAC

Sistema di collimazione

APPLICAZIONI MEDICHE: ADROTERAPIA

Terapia antitumorale basata sull’irraggaimento con protoni e ioni pesanti.

E’ più efficace e più localizzata (risonanza di Bragg) rispetto a quella basata su elettroni o raggi X

Centri in funzione: CNAO a Pavia, PSI a Zurigo, Loma Linda in California, Giappone,…

Courtesy M. Pullia

FISICA DELLA MATERIA: SORGENTI DI LUCE DI

SICROTRONE E LASER AD ELETTRONI LIBERI

TOUSCHEK PROFESSORE

Bruno partecipò allo studio dell’evoluzione di AdA che essendo l’acceleratore di energia più alta al mondo (di allora), fu chiamato

ADONE.

Già per AdA aveva studiato la perdita di particelle per urto all’interno del pacchetto di elettroni e positroni, detto effetto Touschek.

Studiò la teoria della stabilità del fascio e la dinamica delle traiettorie delle particelle.

Quando si entrò nella fase realizzativa ingegneristica, non essendo particolarmente interessato a piani di costruzione, ingegnerizzazioni etc. tornò allo studio teorico e all’insegnamento.

Fu un docente stimato soprattutto dagli studenti in quanto era disponibile con loro quanto intollerante con i difetti dei colleghi.

Non perse mai occasione di ironizzare sulle procedure inutili e sui comportamenti negativi sia dei docenti che degli studenti attraverso disegni che faceva durante le riunioni troppo lunghe

L’UMORISMO DI TOUSCHEK E LE VIGNETTE

BRUNO TOUSCHEK E LA SUA EREDITÀ SCIENTIFICA

Bruno Touschek lavorò su argomenti di fisica teorica fondamentale quali

meccanica statistica, termodinamica e la reversibilità del mondo

microscopico.

Morì nel 1978 a 57 anni lasciando un’eredità scientifica enorme attraverso i suoi studi e l’influenza che aveva avuto sui suoi allievi.

Unfortunately Bruno

Touschek did not live

enough to see that

essentially all high

energy physics comes

from colliders... (C.

Bernardini)

Touschek è il nome del vostro Liceo: siatene orgogliosi!

BIBLIOGRAFIA