Fisicamente

di Roberto Renzetti

Carlo Bernardini

Dipartimento di fisica, Università di Roma´La Sapienzaª Piazzale A. Moro 2, Roma

Bruno Touschek

Bruno Touschek non sarebbe potuto nascere che a Vienna, come fece il 3 febbraio 1921. E quando sentì che la morte si avvicinava, volle tornare in Austria, dove morì assai giovane, il 25 maggio 1978. L’Austria di Karl Kraus, di Egon Schiele, di Gustav Klimt e di Ludwig Fiittgenstein: una eccezionale miscela di eleganza, eccentricità e razionalità che in Bruno si riconosceva immediatamente. Guai a non avere il senso dell’umorismo! Con lui, si rischiava di soccombere agli scatti di impazienza che accompagnavano una battuta sprecata, un riferimento colto non afferrato. Tuttavia, va detto subito che se Touschek esigeva dai colleghi più illustri e autorevoli di essere all’altezza della loro posizione accademica, altrettanto, al contrario, era indulgente e disponibile con i giovani, con gli studenti. E che seguisse una vocazione tutta particolare per la didattica va ricordato, a suo onore, specie in tempi in cui queste vocazioni si vanno perdendo in una sorta di infondato disprezzo. Ripercorrendo le innumerevoli note, scritte con inchiostri nerissimi in una calligrafia un po’ latina e un po’ gotica, su quaderni ordinati a pagine numerate, si scopre in genere che accanto agli embrioni delle sue idee si sviluppano i mille modi per rendere comprensibili le cose della fisica, con particolare riguardo alle formulazioni matematiche e alle tecniche di soluzione.

Bruno aveva alcune idee di riferimento, con le quali produceva la maggior parte delle sue rappresentazioni mentali. Può apparire presuntuoso, da parte mia, cercare di illustrare queste idee in modo schematico, ma in tanti anni di dimestichezza era impossibile non accorgersene, non scoprirle. Intanto, l’elettrodinamica  quantistica era per lui uno dei passi più importanti di tutta la storia della fisica, buon modello anche per la costruzione delle interazioni deboli: non a caso era stato un attento seguace di Wolfgang Pauli sin dagli anni della gioventù (e fu in casa di Bruno che ebbi occasione di incontrare Pauli e di provare una soggezione indicibile). Il concetto di simmetria discreta è poi un altro dei leitmotiv del suo modo di pensare, e ne troviamo importanti manifestazioni in lavori degli anni ’50 in cui introduce sia la simmetria chinale (la non conservazione della parità era stata appena scoperta) che le speculazioni più importanti  sul problema dell’inversione temporale.

E’ di quegli anni un sodalizio con Luigi  Radicati e Giacomo Morpurgo, nonché con Marcello Cini: alcuni di noi più anziani ricordano ancora la vivacità delle discussioni al secondo piano dell’edificio Marconi all’Università  di Roma. Molta della fisica teorica di allora veniva concepita e sviluppata in corridoio, nel braccio che andava dalla stanza di Edoardo Amaldi a quella di Enrico Persico che, ogni tanto, facevano capolino incuriositi e venivano catturati ed edotti (con Marcello Conversi,  che era in posizione mediana).

A quel tempo, la fisica italiana delle particelle elementari si stava affrancando dai raggi cosmici: a Frascati, era in via di completamento  un sincrotrone per elettroni, sotto la direzione di Giorgio Salvini. Disporre di un  fascio di particelle di alta energia era quanto di meglio si potesse desiderare. Le interazioni forti affascinavano Touschek ma, come ho detto, l’elettrodinamica era il suo modello prediletto, sicché arrivare alle interazioni forti attraverso l’elettrodinamica gli sembrava la strada naturale: urti fra adroni, diceva, fanno troppo “rumore”; molto meglio la gentilezza degli elettroni. Gli adroni, diceva, sono hooligans, teppisti e vanno bene per il Cern… intanto, faceva modelli per risonanze adroniche, convinto che nella nozione  di risonanza fosse la chiave di volta per la comprensione della materia nucleare. Questa convinzione era un’altra delle sue rappresentazioni  preferite, ora cercherò di spiegare perché. Intanto, scuoteva il capo scontento per gli acceleratori di quell’epoca: certo, meglio, molto meglio dei raggi cosmici; ma che  spreco! Un elettrone relativistico contro un bersaglio pesante, sia pure un protone, spreca  quasi tutta la sua energia nel moto finale del centro di massa piuttosto che per produrre “reazioni”, cioè stati finali interessanti con nuove particelle (risonanze). Lentamente, si fece strada nella sua mente l’idea che si potesse fare molto meglio e molto di più. Bruno immaginava il vuoto fisico come un magazzino di “pezzi fondamentali”, che si sarebbero manifestati come modi normali del vuoto (risonanze, massefrequenze caratteristiche ––  il suo modo di ragionare era intrinsecamente relativistico). Il problema era quello di “depositare” nel vuoto una ragionevole quantità  di energia, qualificata con numeri quantici appropriati, per eccitare questi modi normali e portarli allo scoperto. Certo, non c’era da aspettarsi molto da stati iniziali carichi, o con numeri barionici o leptonici non nulli; dunque gli stati iniziali prevedibilmente più interessanti non potevano essere che stati di particella-antiparticella; in particolare, nel caso elettrone-positrone, i numeri quantici del sistema avrebbero potuto essere quelli di un fotone, l’intermediario prediletto di ogni scambio energetico! Insomma, Bruno aveva in mente una rappresentazione dielettrica del vuoto fisico: effettivamente, tra i suoi appunti manoscritti si ritrovano alcuni tentativi di lavorare con una costante dielettrica adronica definita in modo semiclassico. A quel tempo, ricordo, uno dei problemi era quello di quale uso fare delle relazioni di dispersione per lo  scattering: con gli acceleratori convenzionali, per esempio il Linac di Stanford (elettroni da 500 mev), Robert Hofstadter aveva misurato i fattori di forma di nucleoni e nuclei, aveva cioè ricostruito la geometria degli oggetti adronici a partire dalle figure di diffrazione (formula di Rosenbluth) corrispondenti allo scattering elastico, cioè a momenti trasferiti space-like. Si trattava di estendere le misure al settore time-like! Il trasferimento di momento avveniva per l’intermediario di un fotone (virtuale, fuori del mass-shell) in entrambi i casi: dunque, il prolungamento analitico dello scattering era l’annichilazione. Annichilazione di positroni su elettroni fermi, nemmeno a parlarne: energie disponibili nel centro di massa per produrre adroni, ridicole. Ma si poteva pensare di sparare elettroni contro positroni in un anello magnetico, in modo che il centro di massa fosse fermo.

Il 7 marzo 1960 Bruno fa un seminario ai laboratori nazionali di Frascati e propone di realizzare un anello magnetico in cui fare collidere elettroni e positroni viaggianti a velocità relativistiche su un’unica orbita: a chi gli chiede “perché mai dovrebbero incontrarsi?” risponde con tono sprezzante che “basta il teorema TCP per convincersi che lo faranno”; e così scrive sulla proposta che apparirà nel Nuovo Cimento, utilizzando la sua fiducia nelle simmetrie discrete e nell’elettrodinamica quantistica.

Lì per lì, i problemi tecnici di una tale impresa  furono elencati con una certa spregiudicatezza: come produrre e iniettare fasci di positroni? Come assicurare un vuoto sufficiente per avere fasci stabili accumulati per tempi lunghi? Come monitorare ciò che accade in un simile dispositivo? Come misurare la produttività della macchina? eccetera. Bruno si convertì all’istante da fisico teorico dei più astratti a fisico applicato: siccome l’idea era piaciuta, Salvini, Amaldi e Felice Ippolito (allora segretario del Cnen) avevano trovato i fondi per realizzarla in quattro e quattr’otto, bisognava rimboccarsi le maniche e risolvere i problemi pratici. Mai sarebbero stati risolti senza le eccezionali risorse intellettuali e competenze messe in gioco dai nostri colleghi Giorgio Ghigo e Gianfranco Corazza: ad entrambi, Bruno si affezionò con un sentimento di ammirazione che mai gli avevo visto prima per altri. Seppi dopo che questo lo riportava al clima in cui aveva collaborato con Rolf Fiideröe, R. Kollath e G. Schumacher alla costruzione di un betatrone da 15 MeV, nel 1943-44 (a Pfuhlsbüttel, vicino ad Amburgo); e che da giovanissimo aveva lavorato in una fabbrica radioelettronica tedesca e costruito tubi a raggi catodici.

Irruento e determinato com’era, però, quando concepisce l’idea dell’anello di accumulazione (AdA) va dritto da Salvini che aveva appena messo in funzione l’elettrosincrotrone da 1100 MeV, un vero successo per quei tempi, e cerca di convincerlo del fatto che “è una macchina poco intelligente” di scarsa utilità; così che sarebbe stato meglio convertirlo in anello di accumulazione adattandolo opportunamente. Fortunatamente, Salvini lo tenne a bada, evitando un disastro pressoché certo, e lo convinse a costruire un anello ad hoc. La conversione sincrotrone ad anello fu effettivamente fatta, dieci anni dopo, con una macchina acceleratrice americana, il CEA di Cambridge Mass., ma con grandi fatiche e magri risultati.

  AdA

Del lavoro con AdA non resta molto, nella letteratura. Indubbiamente, la più importante rassegna delle vicende e dei risultati è una tesi, assai accurata, dell’allora giovane Jacques Haïssinski, che era venuto a fare il dottorato nel nostro gruppo quando ci eravamo trasferiti a Orsay. Di quel dottorato, fummo esaminatori Touschek, Neél ed io nel 1963, quando ormai l’idea di Bruno si era completamente affermata. Sia Haïssinski che Pierre Marin (altro nostro collaboratore francese) nutrivano una vera venerazione per Bruno, nonostante le terribili sfuriate che egli andava facendo in laboratorio insoddisfatto dei tecnici francesi e dei loro servizi centrali. Molte volte si andò vicini all’incidente diplomatico, con la dogana per il trasporto dell’anello o con i controlli aeroportuali perché Bruno non rinunciava a ironizzare sulle guardie nel suo francese assai approssimativo. Le lunghe notti degli innumerevoli week end durante i quali si lavorava con AdA presso la “salle de cible 500 MeV” del Linac francese, che aveva rimpiazzato il sincrotrone di Frascati come iniettore, erano a dir poco infernali: l’impianto di raffreddamento dell’alimentatore della cavità a radiofrequenza faceva un rumore altissimo; spesso il Linac si rompeva e il lento lavoro di accumulazione andava perduto. Ma Bruno era quasi sempre presente (quando non riuscivamo a mandarlo a riposare nella foresteria) e voleva fare personalmente  le calibrazioni degli strumenti e le misure.

La sua innata passione per il disegno si rivelava anche in un comunissimo grafico, ancora oggi riconoscibile come “suo” originale da semplici ed efficaci segni. Accanto ai grafici, i disegni, per lo più satirici, che disseminava per il laboratorio per la gioia di tutti noi che ne facevamo incetta.

Come ho già detto, ci trasferimmo in Francia, ad Orsay; ma la prova che un fascio di bassa corrente potesse circolare per ore nella macchina s’era già avuta a Frascati, grazie alla straordinaria abilità di Corazza nel produrre vuoti decisamente inferiori a 1029 torr con pompe al titanio e degassamento e pulitura delle pareti interne della donut. A Frascati, il punto dolente era l’iniezione: il sincrotrone era stato concepito con un duty cycle eccellente per gli esperimenti con coincidenze; ma per AdA questo era irrilevante: un fascio di elettroni impulsati molto intenso andava benissimo e il Linac di Orsay (da 1000 MeV) sembrava l’iniettore giusto. Bruno partecipò agli accordi con i francesi e alle operazioni di trasferimento dell’anello che, su un grosso camion, attraversò le alpi mantenendo il vuoto nella donut a 1028 torr grazie a un certo numero di batterie in tampone. A Frascati, avevamo già messo a punto le tecniche di calibrazione del fascio (ottiche); Touschek era deliziato dal fatto che la luce di sincrotrone di un singolo elettrone circolante da 200 mev si vedesse ad occhio nudo; spesso, AdA veniva caricata per misure di vita media dei fasci e Bruno faceva da cicerone ai visitatori invitandoli a guardare dall’oblò “l’ultimo elettrone circolante” (una spot bianco-bluastra in grado tuttavia di abbagliare l’incauto che restasse a fissarla, necrotizzandogli un punto della retina). P. I. Dee, un amico di Glasgow (presso il quale Bruno era stato da  “profugo”, dopo la guerra), era assolutamente incredulo circa la visibilità del singolo elettrone sicché Bruno si produsse in un convincente calcolo della magnitudine della spot: queste stime improvvisate erano la sua passione –– e non sono certo semplici.

Furono risolti innumerevoli problemi, tutti reperibili sulla tesi di Haïssinski. Ma il vero momento di pathos venne, una notte del 1963, quando ci accorgemmo che, nonostante la velocità di iniezione fosse ormai eccellente, l’intensità dava palesi segni di saturazione, come se la vita media del fascio dipendesse dall’intensità del singolo fascio. Bruno si allarmò.

Cercò il bar della stazione di Orsay, che restava aperto durante la notte, ordinò il prediletto rosé sec e incominciò a riflettere. Tornò all’alba: aveva capito. quello che avveniva era che lo scattering Møller fra gli elettroni che correvano insieme in un bunch produceva un trasferimento di momento dai modi trasversali (ben contenuti dalle forze magnetiche) a quello longitudinale, assai più debole e anarmonico.

Ovviamente, tanto più grande la densità di elettroni in un bunch tanto più vistoso l’effetto di saturazione: questo forniva anche una ricetta per curare il danno aumentando la densità; il che fu ottenuto mediante l’inserzione di una bobina quadrupolare in una sezione libera del magnete. Bruno produsse immediatamente un calcolo dell’effetto, che da lì in poi è noto come “effetto Touschek”; si vide che per macchine più grandi di AdA non sarebbe stato così catastrofico. AdA dimostrò che i fasci di elettroni e positroni si incontrano; la “luminosità” della macchina era piccola, ma sufficiente a misurare una sezione d’urto di bremstrahlung elettrone-positrone. Questo lavoro fu così convincente che già nel 1961 a Frascati fu messa in cantiere una macchina ben più grande: Adone, due fasci antagonisti da 1.5 GeV ciascuno contro i 220 MeV di AdA. Poco dopo, i francesi incominciarono a costruire ACO (Anneau de Collision Orsay), 23500 MeV.

Bruno era contento e distaccato: finiva l’avventura, incominciava il corso “regolare” delle cose; e lui, come altri, non era uomo di grandi collaborazioni rigidamente organizzate. Tuttavia, continuò a prestare la sua opera, che era di accesa e disinteressata partecipazione alla soluzione di problemi. Intanto, riprendeva a ragionare sui neutrini, e posso dire che non era poi così lontano dall’unificazione elettrodebole. Per circa dieci anni dopo il 1964, anno in cui terminò l’attività con AdA, Bruno soffrì per gli eventi politici che si manifestavano intorno a tutti noi: il caso Ippolito, prima, in cui ebbe un ruolo non irrilevante (le riunioni dei “cospiratori” pro Ippolito si tenevano a casa sua); poi, la contestazione, che lo infastidì moltissimo per l’ottusità di coloro che l’avevano portata nell’Istituto di Fisica di Roma. Il modo, in verità, era assai poco viennese. Se non fosse stato per Edoardo Amaldi, per il quale Bruno aveva una stima illimitata, probabilmente sarebbe andato via, forse in Austria (aveva ripreso i contatti con gli austriaci, particolarmente Fialter Thirring, e conosceva personalmente il presidente austriaco Bruno Kreisky). Parlava spesso in modo sconsolato dell’Italia e della burocrazia italiana. Se posso dire, per come lo ho conosciuto, che cosa gli sarebbe piaciuto “inventare” in fisica, dopo AdA, dico senz’altro la vector dominance, che sembrava fare da ponte tra la prediletta elettrodinamica e il mondo adronico, riempiendo di risonanze ben definite il prolungamento analitico dei fattori di forma. Quando fu scoperta la jy, appena sopra l’energia massima di Adone, per nera fatalità, Bruno sentì che la sua idea stava rendendo il massimo di ciò che si poteva sperare.

Negli ultimi anni, era amareggiato. Smodato per sua natura, sembrava volesse autodistruggersi. Stava spesso molto male. Volle andare al Cern. Di lì, peggiorando in salute, decise di trasferirsi sulle montagne sopra Innsbruck, a Igls. Telefonava che la piscina lo distraeva molto: aveva una gran passione per il nuoto e la pesca (e aveva tanto nuotato e pescato nel lago, a Castelgandolfo). Il 25 maggio 1978 se ne andò, alla clinica medica di Innsbruck, per coma epatico. I suoi discorsi degli ultimi giorni manifestavano, come ha scritto Amaldi, una grande voglia di vivere.

Per molti di noi, vive, come esempio inimitabile, pure, esempio.


Una storia più dettagliata della fisica degli Anelli di Accumulazione, scritta dallo stesso Bernardini, è riportata di seguito.


 LA NASCITA DEGLI ANELLI DI ACCUMULAZIONE

PER ELETTRONI E POSITRONI

CARLO BERNARDINI

Dipartimento di Fisica, Universita La Sapienza, Roma

Nell’ormai lontano 1958, i Laboratori di Frascati stavano per mettere in funzione, sia pure in una versione più moderna e potente, quell’acceleratore di particelle che il gruppo romano di via Panisperna aveva a lungo vagheggiato1 prima di disperdersi nel mondo. In realtà, il più forte promotore dell’elettrosincrotrone da 1.100 MeV era stato l’ex fiorentino Gilberto Bernardini, successivamente chiamato a Roma che, con Edoardo Amaldi e i colleghi del neonato INFN (Antonio Rostagni, Piero Caldirola e Gleb Wataghin), appoggiandosi al CNRN di Felice Ippolito, avevano investito l’allora giovanissimo Giorgio Salvini della direzione dei laboratori; e Salvini l’aveva assunta circondandosi di neolaureati ventenni. L’INFN aveva coordinato egregiamente la preparazione degli apparati sperimentali che sarebbero andati sui fasci (di gamma di bremsstrahlung) della macchina, prevaletemente per esperienze di fotoproduzione :finalmente l.affrancamento da raggi cosmici, banco di formazione dei fisici italiani delle particelle elementari.

Mentre queste attività di “ordinaria ricerca programmata” andavano avanti, la temperatura intellettuale dei laboratori veniva però mantenuta alta dal bombardamento delle novità che proveniva senza sosta da tutti i laboratori attivi, particolarmente da quelli americani: voglio ricordare l’antiprotone, la fisica dei K, il fattore di forma del protone e la non-conservazione della parità; ma anche l’invenzione del focheggiamento forte nelle macchine circolari e l’idea delle collisioni fascio-fascio. C’erano molti risultati sperimentali e molte idee relative a strumenti, mentre la fisica teorica sembrava un po’ impantanata in rappresentazioni fenomenologiche non molto produttive o in rappresentazioni troppo generali per produrre risultati confrontabili con gli esperimenti. Tutto sommato, mi sembra di poter dire che la fisica sperimentale avesse all’epoca più forte impatto che non la fisica teorica2 nello sviluppo delle conoscenze sulle particelle elementari (ma in questo convegno abbiamo l’opportunità di ascoltare una relazione di Gianni Jona-Lasinio in proposito).

Nei Laboratori di Frascati, il sincrotrone non era ancora entrato in funzione che già si parlava del passo successivo. Gli elettroni non avevano molto credito presso i “particellari”: c’era già il CERN all’orizzonte e

l’argomento della fisica “abbondante” che si poteva fare con protoni era sbandierato come probante e schiacciante; l’1/137 dei processi elettromagnetici era considerato un grave handicap. Per qualche tempo, ci fu una comunità internazionale di elettrofotonici (che si incontravano nelle electron-photon Conferences), dotati di impianti acceleratori molto simili, che mantenevano rapporti di lavoro assai stretti cercando di fronteggiare la dominanza dei sincrociclotroni e dei sincrotroni per protoni: Glasgow (J.Dee), Caltech (Pasadena; M.Sands, R.Walker), Cornell (Ithaca N.Y.; R.Wilson, B.McDaniel, A.Silverman), Lund (von Dardel), Bonn (W.Paul); a cui vanno affiancati i due Linac: Stanford (R.Hofstadter, W.Panofsky), Orsay (A.Blanc-Lapierre) . Le nuove idee erano ancora imprecise e richiedevano una forte collaborazione tra esperti di acceleratori (detti “macchinisti”) e fisici; i passi erano lenti: l’idea delle collisioni tra fasci stava facendosi strada, negli USA con D. Kerst (Madison) e G.K.O’Neill (Princeton-Stanford), ma risaliva già a R.Wideroe (ingegnere e costruttore di betatroni presso la Brown Boveri). Alla data del 24 febbraio 1958 trovo sul mio Notebook dell’epoca, sotto il titolo “Storion”: Dispositivo per l’accumulo di beams elettronici circolanti i calcoli per una sorta di trappola magnetica che prefigurava un dispositivo di accumulazione: niente più che una bottiglia magnetica con ragionevoli condizioni di stabilità (all’epoca, c’era molta attività di questo tipo nel settore dei plasmi controllati, uno dei più grandi e costosi aborti della storia della fisica).

Si faceva un gran parlare della perfezione della QED e dell’opportunità di verificare che non vi fossero breakdowns oltre quelli prevedibili sopra le soglie per la presenza di adroni. A parte la copiosa messe di calcoli a ordini elevati della costante di struttura fine a sapienti trattamenti delle divergenze ultraviolette e infrarosse, le idee erano ingenue: esiste un elettrone pesante, e*, che decade in e + γ? Come si modificano i propagatori di elettroni e fotoni ad elevato momento trasferito? E i vertici, cioè i presunti fattori di forma, nel rispetto della gauge invariance e dell’identità di Ward?

Un teorico americano di Stanford, molto noto, spesso ospite di Frascati e dell’Università di Roma, era il leader dei revisionisti della QED: S.D.Drell pubblicò nel 1958 un celebre articolo, QED at small distances, nel quale si discutevano le implicazioni dei possibili breakdowns (Annals of Physics, 4 (1958), 75). E intanto stavano spuntando i mesoni vettoriali e si profilavano cambiamenti notevoli nelle rappresentazioni dei processi: c’erano state importanti proposte di Y.Nambu e di S.N. Gupta e la vector dominance di J.J. Sakurai sarebbe arrivata di lì a poco. Forse questa insistenza .congetturale. sulla verifica della QED è quello che ha spinto Princeton e Stanford verso gli anelli tangenti per collisioni ee; e invece un intento più

, per protoni, un buon esempio di come lo specialismo possa a volte prendere la mano e produrre mostri; anche l’anello MURA a Madison fu un mero esercizio tecnico. strumentale avrebbe spinto i russi di Novosibirsk (G.Budker e coll.) verso un analogo strumento (VEPP 1). Nel frattempo, D.Kerst si cimentava nel disegno delle improbabili macchine FFAG3

E’ in questo clima che Bruno Touschek si inserisce come eccellente ibrido tra chi sa quali sono i problemi degli acceleratori e quali quelli della fisica: si era laureato con una tesi sui betatroni per poi dedicarsi alla fisica teorica. Per Bruno, i test della QED4 non erano molto importanti: era invaghito di questa teoria e pensava che i problemi fossero altrove. Nella sua mentalità, la vera novità stava nel fatto che bisogna depositare energia nel vuoto, con numeri quantici ragionevoli ma “on the mass shell”. «Finora», diceva, «abbiamo fatto geometria, diffrazione: i fattori di forma dei nucleoni (il grande successo di R. Hofstadter, a Stanford) a momento trasferito space-like. Se riuscissimo a produrre momenti trasferiti time-like, appunto on the mass shell, potremmo eccitare il vuoto, per esempio in stati JPC = 1, che corrispondono a interessanti mesoni vettoriali neutri. Questa è, finalmente, dinamica». Effettivamente, le idee dell’epoca per ottenere risultati che potevano essere rilevanti consistevano nel cercare di estrapolare ampiezze dalla regione space-like a quella time-like con formule di dispersione (vedi la relazione di Cini); ma il passo era troppo grande: come non riconoscere, allora, che misure dirette avrebbero dato risultati di grande rilevanza?

Il 7 marzo 1960 Bruno fece un seminario a Frascati: descrisse un anello di accumulazione per elettroni e positroni che aveva già discusso con alcuni di noi nei giorni precedenti. Erano presenti Salvini, Fernando Amman, Raoul Gatto oltre a molti altri. L’idea era, in un certo senso, abnorme, sorprendente, eccitante. Bruno calcolò alla lavagna il “vantaggio cinematico” derivante dallo stato di riposo del centro di massa, mostrando agli attoniti sperimentatori che si accingevano a fotoprodurre mesoni con il sincrotrone che l’energia disponibile nel CM in un anello e+eera, per appena 200 MeV dei fasci, di ben 400 MeV contro i circa 30 MeV di un e+ da 1.000 MeV su un elettrone fermo. Sicché diventava possibile produrre adroni da un robusto fotone virtuale on the mass shell! Si incominciò a discutere delle difficoltà. A parte la spesa – che non sembrava astronomica per un piccolo prototipo, già battezzato AdA (Anello di Accumulazione): con 20 milioni di allora si poteva incominciare, disponendo dei sevizi dei LNF – c’erano numerosi problemi tecnici. Bruno provò a convincere Salvini a trasformare il sincrotrone, prima che fosse usato per i programmi previsti, in anello: ne seguì un alterco violento ma breve, perché Salvini oppose un netto e saggio rifiuto (questa pazzia di convertire un sincrotrone . per elettroni da 3GeV .

in anello fu fatta a Harvard da Ken Robinson e Karl Strauch all.inizio degli anni .70, ma durò poco). Poi si passò a progettare e valutare:

1 – Il fattore di sorgente delle reazioni e+e, di lì in poi chiamato “luminosità”

2 – Le vite medie dei fasci e il vuoto necessario

3 – I problemi dell’iniezione di positroni ed elettroni nell’anello

4 – La struttura del magnete e dell’impianto a RF per compensare la perdita per radiazione di sincrotrone

Giorgio Ghigo, con l’aiuto del gruppo magneti di Giancarlo Sacerdoti e del gruppo RF di Mario Puglisi, progettò immediatamente la macchina (punto 4); l’ordine per il magnete fu piazzato all’Ansaldo appena una settimana dopo grazie a un decisivo intervento di Amaldi presso Ippolito al CNEN.

Per l’iniezione (3) fu deciso, provvisoriamente, di ricorrere a una conversione dei gamma del sincrotrone in coppie elettrone-positrone su un bersaglio interno all’anello: l’accettanza sarebbe stata bassa ma, presumibilmente, non nulla, tanto per incominciare. Poiché elettroni e positroni (ma non fummo mai d.accordo su quali fossero gli uni e quali gli altri: bella riprova di CP invarianza) avrebbero dovuto correre sulle stesse orbite ma in versi opposti, usando un unico bersaglio convertitore era necessario invertire il campo senza distruggere il fascio già accumulato: che fare? Ghigo e Gianfranco Corazza, con grande soddisfazione di Touschek, pensarono bene di montare l’anello (poco meno di 10 tonnellate di roba) su uno spiedone rotante che fu subito battezzato “girarrosto”: il campo si ribaltava, senza spegnerlo, ribaltando la macchina!

Le perdite dei fasci e le loro vite medie (2) dipendono dal gas residuo nella donut. Gianfranco Corazza stava già facendo esperienza con le splendide pompe a ionizzazione (che poi avremmo comprato dalla Varian). Da quel momento in poi il problema fu suo e lo risolse nel migliore dei modi: già nella donut provvisoria avevamo 10-7 torr, che di lì a poco divennero 10-10 torr dopo un trattamento di degassamento a caldo delle pareti interne. C’era perfino qualche problema con i vacuometri Alpert, che a quel livello diventavano insensibili: qualche anno dopo, con Corazza, progettammo e costruimmo un vacuometro che funzionava come un microscopio Mueller con campo invertito sulla punta, su cui attirava atomi neutri polarizzati aumentando localmente la densità e quindi la corrente di ionizzazione misurata; ma era troppo delicato: il campo di 5 kV/μm = 5 GeV/m rompeva la punta e ci voleva molto tempo per sostituirla.

Touschek era tutto preso dalla luminosità L (1). Trovò la formula che mostrava la dipendenza dalla sezione trasversa dei fasci e da numero e frequenza dei bunches, oltre che dalle correnti accumulate (ovvio). Spesso

maltrattava i dubbiosi e incerti che facevano domande come: “Chi assicura che i fasci si incontreranno?” e lui rispondeva: “Ovviamente, teorema TCP! Anzi, basta CP!”. Oppure: “Ma le interazioni elettriche con la donut metallica non separeranno i fasci?” e lui: “Sheiße!”. E così via.

Il 27 febbraio 1961, meno di un anno dopo, registrammo i primi elettroni accumulati . Un fotomoltiplicatore osservava la luce di sincrotrone attraverso un oblò della donut: era stato calibrato senza problemi, un singolo elettrone era visibile a occhio nudo e noi ne accumulavamo qualcuno per farlo vedere ai visitatori (Amaldi, Dee di Glasgow, un allievo di Rutherford, Paul di Bonn, von Dardel di Uppsala, gli amici di Cornell e di Caltech); si potevano anche scattare foto polaroid di qualche elettrone circolante: in fondo, pur emettendo poca luce per passaggio, passava 75 milioni di volte al secondo! A occhio, si vedeva una puntuta immagine bianco-bluastra di luminosità pari a quella che avrebbe il Sole a 5 a.l. da noi.

L’iniezione fu un problema: il duty cycle e la geometria del fascio del sincrotrone erano sfavorevoli. Si dovette avvicinare il più possibile il girarrosto alla macchina. Ma spesso, ribaltando l’anello, si perdeva il fascio accumulato. Bruno, con Pierre Marin di Orsay, fecero qualche tempo dopo un’osservazione occasionale: minuscoli frammenti metallici diamagnetici provenienti dalle saldature della donut che, al ribatamento, ghigliottinavano occasionalmente il fascio accumulato. Ghigo inventò un nuovo schema in cui lo spiedo era sostituito da una rotazione e una traslazione , per “ovvii motivi gruppali” spiegava Bruno. La velocità d’iniezione peggiorò ulteriormente perché la torre su cui fu montata AdA la allontanò dal sincrotrone. Ben presto si capì che, pur migliorando le vite medie – che ormai erano arrivate a 10 ore – i fasci non avrebbero avuto più di 105 particelle ciascuno in un turno di carica: troppo poco per ogni esperimento di fisica. Pierre Marin, che veniva da Orsay dove disponevano, come a Stanford, di un Linac per elettroni da 1 GeV, chiese se eravamo interessati a trasferire lì AdA: il duty-cycle del Linac (corti impulsi da nsec alla frequenza di rete) stavolta non sarebbe stato un inconveniente come lo era invece per le esperienze in coincidenza in cui il sincrotrone era nettamente preferibile; l’intensità (qualche mCoulomb/ora) era formidabile e gli elettroni si potevano convertire a ridosso di AdA trattandosi di un fascio elettronico esterno. Mi venne anche l’idea di modulare in discesa la tensione di RF durante e grazie al corto impulso d’iniezione, il che portò a un guadagno di un fattore 25 del rendimento (per inciso: feci un seminario a Cornell durante il quale ebbi un diverbio con Tigner che stava costruendo una copia di AdA con modulazione RF a salire, che sembrava, erroneamente, “naturale”: lo dico perché tutti noi del gruppo avevamo a quel punto una conoscenza quasi

simbiotica delle proprietà dell’anello). Grazie a Pierre Marin , che è morto purtroppo in aprile 2002, e al direttore di Orsay, André Blanc-Lapierre (scomparso anch’egli in dicembre 2001) sollecitato autorevolmente da Amaldi, ci trasferimmo a Orsay tra il ’62 e il ’63: con molte peripezie che ho raccontato altrove. Il gruppo ora era formato da Corazza, Ghigo, Touschek e me, cui si erano aggiunti Giuseppe Di Giugno e Ruggero Querzoli, più i francesi: Jacques Haissïnski e Pierre Marin.

Che l’anello non avesse più segreti, per noi, lo si vide una notte, nel ’63, quando ci accorgemmo che la vita media di un fascio diminuiva all’aumentare del numero di particelle in esso accumulate. Fu un’osservazione drammatica: sembrava la condanna a morte degli anelli. Bruno si allontanò alle 5 del mattino e andò al Café de la Gare a bere il suo prediletto Rosé Sec con gli operai che arrivavano da Parigi. Tornò eccitatissimo alle 6 e mezza: aveva capito: il trasferimento di momento dai moti trasversali a quello longitudinale per scattering Møller tra gli elettroni di uno stesso bunch produceva la catastrofe perché le oscillazioni di betatrone avevano momenti assai più grandi di quelle di fase e queste ultime, non lineari, avevano anche un momento massimo accettato nella zona di stabilità. Bruno era preoccupato e soddisfatto a un tempo: aveva capito, il problema era serio per AdA; ma non avrebbe impedito il funzionamento di una macchina più grande. Bruno aveva già una formula5 per la dipendenza dall’energia di quello che si sarebbe subito chiamato “effetto Touschek”. Ricordo che eravamo molto ammirati del fatto che Bruno fosse venuto a capo del problema in un.ora. Con la consueta pazienza mi spiegò che la dipendenza della vita media dal numero di particelle in un bunch gli aveva suggerito che l.equazione di variazione del numero n accumulato in un bunch era del tipo: Ý n =−1τ0n−αn2+Ý n 0

dove il primo termine a destra è dovuto al gas, il secondo è la novità di Touschek/AdA e il terzo è il contributo dell.iniezione6. Il fatto che la novità fosse quadratica denunciava un effetto di densità nel bunch; cosa altro poteva essere se non lo scattering Møller? Mentre lui parlava, io capii che più alta era la densità, più frequenti sarebbero stati gli urti nel bunch; poco tempo prima mi ero accorto che le dimensioni verticali del fascio erano certamente molto più piccole (10 μm contro 1 mm) di quelle orizzontali

perché, contrariamente alla diffusa opinione che le dimensioni fossero dovute a scattering multiplo, il regime era quello di scattering singoli compensati da un forte damping di radiazione. Perciò, accoppiando il modo orizzontale al verticale durante l.iniezione, la sezione del beam sarebbe diventata circolare, la densità sarebbe diminuita e l.effetto Touschek pure, consentendo di iniettare più particelle. Effettivamente, riuscimmo a portare la saturazione a ben 108 particelle per beam: io partii per Frascati dove, preavvertiti telefonicamente, mi prepararono un quadrupolo che inserimmo con gli assi ruotati di 45° appena tre giorni dopo. Racconto l.episodio per sottolineare il clima iperattivo e indimenticabile in cui vivevamo: questo non si è forse più verificato nel lavoro con acceleratori. Comunque, Adone (2×1.500 MeV) a quel punto era già in costruzione (“Adon che a nullo Amaldi amar perdona”, come dicevamo scherzando, era stato fortemente appoggiato da Edoardo Amaldi). La direzione dei lavori fu affidata a Fernando Amman, che ha poi raccontato le vicende relative a questa impresa; sicché oggi ve le risparmio. Anche il .libro dei sogni. era stato fatto: era la celebre .Bibbia. pubblicata da Nicola Cabibbo e Raoul Gatto7 sul Physical Review già nel .61, che conteneva il repertorio completo di ogni immaginabile (all.epoca) sezione d.urto di annichilazione.

A quel punto, la praticabilità degli anelli per elettroni e positroni era dimostrata: facemmo una misura di bremsstrahlung con un contatore di Cerenkov in vetro al piombo e pubblicammo il risultato sul Nuovo Cimento8 già nel 1964 . Risultati intermedi e vicende sono ormai cancellati: qualche rapporto dei LNF, le note personali di Pierre Marin , che me ne ha mandato copia poco prima di morire, la tesi di Docteur es-Sciences di Jacques Haïssinski (di cui eravamo .relatori. Bruno e io in una commissione formata da noi, Blanc-Lapierre e Néel di Grenoble); ce ne sarebbero da raccontare per ore e ore, se si volesse fare un confronto tra il modo di lavorare di oggi e quello di allora. Di sopravvissuti ci siamo solo, oltre me, Corazza, Di Giugno, Haïssinski: Corazza fa il contadino a Corato, Di Giugno fa musica e modellini a Colleferro e Haïssinski si occupa di stelle nane brune. La sola cosa che voglio dire è che con gruppi di quelle dimensioni si poteva lavorare senza nemmeno il sospetto che qualcuno non facesse tutto quello che doveva: è stato un indimenticabile .uno per tutti, tutti per uno..

I francesi avevano subito messo in cantiere ACO, una macchina un po. più grande di AdA (2×500 MeV) e molto professionale, soprattutto per l.iniezione; i siberiani di Gershon (Andrei Mihailovich) Budker a Novosibirsk avevano in costruzione VEPP 2, con qualche problema per le tecnologie del vuoto (la Varian non esportava in URSS a metà degli anni .60: l.abbattimento, con un missile, dell.U2 di Powers ancora pesava sui

rapporti tra le superpotenze). A Saclay, nel 1966, si tenne un importante convegno dove alcuni di noi che preparavano esperimenti per Adone proposero di usare queste macchine per l.osservazione di risonanze vettoriali 1molto strette a masse più elevate che non quelle dei tre mesoni già noti (ρωϕ): la definizione in energia dei fasci era talmente buona che si potevano osservare righe da pochi keV. Il nostro smacco più grande fu che la J/ψstava appena 50 MeV sopra l.energia massima di Adone (1.500 MeV), sicché la trovarono Richter a Stanford e Ting a Mit solo nel 1974, in una sfida tra .gentiluomini. che non auguro a nessuno. Il giorno che arrivò la notizia della J/ψ Adone fu .forzato. a 1.550 MeV e comparve in poche ore questa meraviglia che ci era stata (involontariamente, beninteso) scippata. Ma qui voglio solo ricordare due cose da lasciare agli atti. Una è la misura riportata dai francesi di ACO a Cornell alla electron-photon Conference del 1971. Ci si vede (e Bruno era al settimo cielo) un esempio della parte dispersiva della costante dielettrica del vuoto misurata attraverso l.interferenza γ-ϕ nella sezione d.urto e+e→ μ+- . E. una misura unica nel suo genere e non solo molto difficile. L.altra cosa è che, alla fine degli anni .60, quando Adone stava entrando in funzione, ero responsabile della sperimentazione con Adone. In quella veste, ho purtroppo assistito a scene di .banditismo accademico. a mio parere inqualificabili che hanno seriamente pregiudicato il lavoro scientifico e un certo primato italiano: ho protestato pubblicamente in passato per i danni derivanti dalla contestazione al lavoro con Adone; ma forse i danni sono stati meno gravi di quelli prodotti dal rampantismo di qualche .collega.. Voglio solo lasciare memoria, qui, del fatto che ho deciso di scrivere un dossier che sarà accessibile fra un paio di decenni: a questo siamo ridotti, a causa dei .soliti noti. (che però prendono premi dalla nostra comunità).

Credo che tutti i risvolti di questa storia9, da cui la storiografia americana ci ha piratescamente cancellati, siano importanti. Dopotutto,ogni laboratorio di alte energie che si rispetti, nel mondo, ha un .collider..

Bibliografia

1 G.Battimelli, I.Gambaro, .Un laboratorio per le alte energie.., Atti Congr. Naz. Storia della Fisica, Udine 1993-Lecce 1994, Edit. A. Rossi, Conte, Lecce 1995, p. 475; G.Battimelli, I.Gambaro, Quad. Storia della Fisica 1 (1997), p. 319

2 Strong Interactions and High Energy Physics, edited by R.G.Moorhouse, Oliver & Boyd, Edinburgh, 1964

3 K.R.Symon, D.W.Kerst, L.W.Jones, L.J.Laslett, K.M.Terwilliger, Fixed-Field Alternating-Gradient particle accelerators, Phys.Rev. 103 ((1956) 1837

4 S.D.Drell, Quantum Electrodynamics at small distances, Annals of Physics, 4 (1958) 75; C.Bernardini, High Energy Experiments in QED, Summer School, Univ.of Colorado, Boulder (1968)

5 C.Bernardini, G.F.Corazza, G.Di Giugno, G.Ghigo, J.Haïssinski, P.Marin, R.Querzoli, B.Touschek, Lifetime and Beam Size in a Storage Ring, Phys.Rev.Lett. 10 (1963) 407

6 C.Bernardini, Scientia, 113 (1978) 27; Il Nuovo Saggiatore, 6 (1982); From the Frascati Electronsynchrotron to Adone, “Present and Future of Collider Physics”, vol.30 (1990), Ed.: Italian Physical Society; E. Amaldi, The Bruno Touschek Legacy, CERN 81-19, 1981, Geneva; also, L’eredità di Bruno Touschek, Quaderni del Giornale di Fisica, V, n°7, 1982

7 N. Cabibbo, R. Gatto, Electron-Positron Colliding Beam Experiments, Phys. Rev., 124 (1961) 1577

8 C.Bernardini, G.F.Corazza, G.Di Giugno, J.Haïssinski, P.Marin, R.Querzoli, B.Touschek, Nuovo Cimento, 34 (1964), 147

9 F.Amman, The Early times of electron Coliders, Rivist di Storia della Scienza, n° 2 (1985), 130; History Symposium “Strong Focusing Discovery and Impact. Events and Recollections”, 1985 Summer School on Particle Accelerators, SLAC (1985). As far as physics is concerned, see: G.Salvini, A.Silverman, Physics with Matter-Antimatter colliders, Physics Reports, vol.171, n°5,6 (1988).

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