il nostro mondo - Società Italiana di Fisica
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il nostro mondo La Società Italiana di Luce di Sincrotrone FEDERICO BOSCHERINI* Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Bologna, Italia La Società Italiana di Luce di Sincrotrone (SILS) è la società scientifica indipendente e multidisciplinare che promuove l’uso della luce di sincrotrone, favorisce il coordinamento delle attività e rappresenta la vasta e diversificata comunità scientifica coinvolta nella progettazione, costruzione ed uso delle grandi infrastrutture di ricerca in questo campo. Dopo una breve introduzione alla luce di sincrotrone verrà descritta la comunità scientifica italiana, il ruolo della SILS, le sue principali attività e le prospettive della ricerca nell’ambito della luce di sincrotrone e dei laser ad elettroni liberi. 1 La luce di sincrotrone: uno strumento multidisciplinare avanzato nelle scienze fisiche, chimiche, naturali e biomediche La luce (o radiazione) di sincrotrone è la radiazione elettromagnetica emessa da elettroni relativistici che circolano negli acceleratori di elettroni. Le proprietà di emissione furono studiate inizialmente per la loro rilevanza per la costruzione degli acceleratori dedicati alla fisica delle particelle. A partire dagli anni ’50 e ’60 del secolo scorso la comunità scientifica ha intuito che le proprietà della luce di sincrotrone sono di grande interesse anche per altre applicazioni. Dopo i primi studi pioneristici vi è stato uno sviluppo che non si può non definire impetuoso – legato essenzialmente ai cambiamenti delle proprietà della sorgente in termini di brillanza, coerenza, polarizzazione e risoluzione temporale. L’evoluzione delle proprietà della sorgente non è stata semplicemente di tipo migliorativo, ma è stata talmente radicale da aprire nuovi campi dell’indagine scientifica. La prima comunità scientifica coinvolta nell’uso della luce di sincrotrone è stata quella della fisica della materia, ma successivamente le applicazioni si sono rapidamente estese alla chimica, le scienze della terra, la biologia, le scienze ambientali e la medicina e più recentemente l’archeologia e le scienze dei beni culturali. Oggigiorno, sostanzialmente tutte le discipline scientifiche sono interessate alla generazione e all’uso della luce di sincrotrone e la maggior parte dei paesi * Presidente della SILS www.synchrotron-radiation.it 74 < il nuovo saggiatore industrializzati si sono dotati di una o più “facility” di luce di sincrotrone. La ricerca con luce di sincrotrone è un esempio di sviluppo interdisciplinare di grande interesse e rilevanza. Nel medesimo laboratorio, composto da decine di apparati sperimentali che sfruttano i diversi metodi sperimentali (le cosiddette “beamline”) lavorano fianco a fianco ricercatori di ambiti disciplinari e studi universitari anche molto diversi, uniti dall’applicazione del medesimo metodo sperimentale e schema interpretativo e impegnati nella ricerca delle applicazioni più interessanti o del superamento dei limiti strumentali. È improbabile che uno studente universitario di fisica immagini che le sue conoscenze possano essere utili in un campo apparentemente così lontano come la paleontologia – ma è proprio ciò che accaduto recentemente con l’applicazione della microtomografia con contrasto di fase allo studio dell’anatomia dei primi vertebrati o degli inclusi fossili delle ambre. Infine, è importante notare che la ricerca con luce di sincrotrone ha un ruolo importante nella aggregazione dei ricercatori e nella ottimizzazione degli investimenti legata alla costruzione e gestione di una grande infrastruttura di ricerca. Specialmente nei campi in cui l’uso ha una più lunga tradizione – per esempio nella fisica della materia – l’utilizzo condiviso di strumentazione avanzata da parte di numerosi gruppi di sedi e istituzioni diverse ha permesso di effettuare salti di qualità nel livello qualitativo e quantitativo dell’indagine scientifica. L’esperienza dimostra inoltre che lo sfruttamento delle risorse centralizzate rese disponibili alla comunità scientifica dai laboratori di luce di sincrotrone può essere ottimizzata efficacemente finanziando programmi collaterali di ricerca e di supporto all’utenza. 2 La comunità italiana ed il ruolo della SILS Le ricerche sulla generazione di luce di sincrotrone e sulle sue applicazioni hanno avuto forte impulso nel nostro Paese dalla notevole tradizione nel campo della fisica degli acceleratori [1], fin dai primi anni in cui a livello internazionale si cominciava a capirne l’importanza. Sull’ElettroSincrotrone di Frascati furono realizzati negli anni ’60 studi pioneristici, tra i quali la prima misura di spettri di assorbimento di raggi X realizzata in Europa [2]. Successivamente, presso i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN, nell’ambito di una collaborazione con il CNR per la realizzazione di un programma di utilizzazione aperto all’utenza, furono realizzate diverse beamline sull’anello di accumulazione ADONE. E proprio su ADONE fu installato uno dei primi magneti “wiggler” al mondo; nell’ambito del progetto di luce di sincrotrone su ADONE, portato avanti fino alla chiusura del 1992, hanno mosso i primi passi molti colleghi – fisici e non solo – che hanno coperto o tuttora rivestono ruoli di grande rilevanza a livello italiano ed internazionale. A partire dal 1994 l’attività con luce di sincrotrone in Italia si è focalizzata principalmente intorno ai due laboratori cosiddetti di “terza generazione”: Elettra [3], sito nell’area di ricerca di Trieste, realizzato e gestito dalla Società Elettra-Sincrotrone Trieste S.C.p.A., e la European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) [4] a Grenoble, realizzato in base ad un accordo tra numerosi paesi europei. Si tratta di grandi infrastrutture di livello eccellente nel contesto internazionale che forniscono ad un’ampia comunità scientifica fasci di luce con caratteristiche all’avanguardia. A Trieste sono state realizzate 20 beamline che coprono l’intervallo spettrale dall’infrarosso ai raggi X su un anello di energia variabile tra 2.0 e 2.4 GeV; le beamline sono state realizzate e sono gestite da Elettra, dal CNR, in collaborazione con l’INFN, e da enti stranieri. A Grenoble sono in funzione circa 40 beamline che coprono l’intervallo dai raggi X molli ai raggi X duri, su un anello di energia di 6 GeV; la maggior parte delle beamline sono state realizzate da ESRF ma un numero significativo anche da gruppi esterni a base nazionale – tra cui ricordiamo la beamline italiana BM08 (GILDA). In parallelo a queste iniziative, sono state realizzate alcune beamline [5] sull’anello ad alta corrente DAFNE a Frascati con uso parzialmente dedicato. La novità dell’ultimo anno è l’entrata in funzione di FERMI, il laser ad elettroni liberi (FEL) realizzato accanto ad Elettra con un innovativo schema di “seeding” da parte di un laser ottico esterno e con caratteristiche di emissione di grandissimo interesse in termini di risoluzione temporale, coerenza e brillanza di picco. Per quanto riguarda le prospettive future rimandiamo all’ultima sezione. La comunità italiana coinvolta nei progetti di luce di sincrotrone è costituita dai fisici ed ingegneri degli acceleratori, dai colleghi coinvolti nella progettazione e gestione delle beamline e dall’ampia comunità degli utenti proveniente dalle Università e dagli Enti di Ricerca (CNR, INFN e altri). Per quanto riguarda i primi, si tratta dei fisici ed ingegneri che operano presso la Elettra e di una parte di coloro che lavorano presso i Laboratori Nazionali di Frascati e alcune sezioni dell’INFN. I colleghi coinvolti nella strumentazione della linee operano presso la Elettra, ESRF, EMBL e i Laboratori di Frascati dell’INFN. È presente anche una numerosa comunità di ricercatori italiani che operano presso i principali laboratori in Europa e nel resto del mondo. Per quanto riguarda gli utenti, si può stimare la loro numerosità sulla base dei dati forniti da Elettra ed ESRF. A Trieste si realizzano circa 400 esperimenti l’anno che coinvolgono circa 1200 ricercatori; a Grenoble il numero di utenti italiani è dell’ordine di 1000 l’anno. A questi vanno aggiunti gli utenti di altri laboratori europei quali SOLEIL, BESSY, DESY, DIAMOND ed altri, il cui numero è più difficile da stimare. Da questo quadro è chiaro che l’attività nel campo della luce di sincrotrone è molto ampia e diversificata, interessa molteplici ambiti scientifici ed è portata avanti sotto la responsabilità di numerose istituzioni italiane ed europee. Con lo scopo di favorire il coordinamento delle attività è stata dunque fondata nel 1992 la Società Italiana Luce di Sincrotrone (SILS). I soci fondatori furono Claudio Furlani, Settimio Mobilio, Gilberto Artioli, Carla Cauletti, Nicola Rosato, Claudio Quaresima e Rossana Camilloni. Si sono succeduti alla Presidenza della Società Claudio Furlani, Carlo Maria Bertoni, Settimio Mobilio, Giovanni Stefani, Carlo Mariani e Federico Boscherini. La SILS è una società scientifica indipendente, multidisciplinare e senza scopo di lucro. Il funzionamento della società è regolato da uno statuto che si può trovare sul sito della società. Le attività di gestione della società sono espletate dal Presidente e dalla Giunta Esecutiva, che rappresentano per statuto i diversi ambiti disciplinari coinvolti e che vengono eletti dai soci; il Presidente e i membri di giunta restano in carica due anni e sono rieleggibili per una sola volta. La composizione attuale della Giunta è riportata in tabella I; Carlo Mariani svolge per il biennio 2012 – 2013 la funzione di “Past President”. Si può notare che i membri di Giunta provengono da università ed enti di ricerca, rappresentano la natura interdisciplinare della Società e che due colleghi operano all’estero in prestigiosi istituzioni di ricerca europee. L’ambito di attività della SILS è stato recentemente ampliato e adesso include esplicitamente anche le attività collegate allo sviluppo ed alla utilizzazione dei FEL e delle sorgenti di radiazione elettromagnetica basate su laser di potenza. La SILS è stata una delle prime società scientifiche nel campo della luce di sincrotrone a livello europeo ed è sicuramente una delle più attive. Recentemente, è stato stabilito uno stretto collegamento con la European Synchrotron Users’ Organization (ESUO [6]): l’attuale Presidente SILS è uno dei delegati nazionali in ESUO ed il Past President è membro del Comitato Esecutivo. 3 Attività principali della SILS La SILS svolge la sua azione di promozione e coordinamento delle attività con luce di sincrotrone principalmente tramite i congressi annuali e la scuola biennale. I congressi si sono svolti con regolarità tutti gli anni, in diverse sedi su tutto il territorio nazionale. I congressi SILS sono l’occasione per una rassegna dei risultati scientifici più recenti e per un aggiornamento sugli sviluppi presso le facility di riferimento per la comunità italiana. L’ultimo congresso (il ventesimo) si è svolto presso l’Università della Calabria (chairperson Raffaele Agostino) a luglio 2012 con la partecipazione di circa 100 ricercatori (nella fig. 1 è riportata una foto di gruppo). Il prossimo congresso si svolgerà nell’ambito del congresso nazionale di Fisica della Materia presso il Politecnico di Milano dal 11 al 13 settembre 2013. Per tradizione, Federico Boscherini Presidente Università di Bologna Paolo Ghigna Vicepresidente Chimica e applicazioni Università di Pavia Antonella Balerna Tesoriere Fisica e applicazioni Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN Alberto Verdini Segretario Fisica e applicazioni Istituto Officina dei Materiali del CNR, Trieste Michele Cianci Scienze Biomediche e applicazioni European Molecular Biology Laboratory, Amburgo (D) Alessandro Gualtieri Cristallografia e Scienze della Terra Università di Modena e Reggio Emilia Luigi Paolasini Strumentazione e tecnologia European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble (F) Tab. I La Giunta Esecutiva della SILS per il biennio 2012-13. vol29 / no1-2 / anno2013 > 75 Il nostro mondo Fig. 1 Foto di gruppo al XX Congresso Annuale della SILS, Università della Calabria, luglio 2012. nei congressi SILS viene dato largo spazio agli interventi di giovani ricercatori. La scuola di luce di sincrotrone è di grande importanza per formare le nuove leve di ricercatori nel nostro campo. La scuola SILS – diretta instancabilmente da S. Mobilio e G. Vlaic – ha cadenza biennale, durata di due settimane e affronta tutti gli aspetti salienti, dalla generazione della radiazione, all’interazione con la materia, alla descrizione dei principali metodi sperimentali e schemi interpretativi teorici ad una rassegna delle principali applicazioni. Le prime sette edizioni della scuola, a partire dal 1990, sono state organizzate nella splendida sede di S. Margherita di Pula in provincia di Cagliari. L’ottava edizione si è tenuta presso i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN. Dal 2007 la scuola si svolge nelle vicinanze di Trieste in collaborazione con Elettra; le edizioni del 2007, 2009 e 2011 si sono tenute all’interno del suggestivo castello di Duino mentre quella del 2013 è prevista a Grado, tra il 16 ed il 27 settembre 2013. La scuola della SILS attrae studenti e partecipanti da molti paesi e si è affermata come una delle principali scuole in questo campo a livello europeo. Per il 2013 è in programma una nuova edizione del libro di testo, essendo la prima [7] oramai non più reperibile. Nel 2012 l’attuale Giunta ha lanciato una nuova iniziativa che ha avuto un notevole successo: il bando per un premio per la miglior tesi di dottorato nel campo della radiazione di sincrotrone. Il premio è riservato a giovani dottori di ricerca che abbiano sviluppato metodi o strumentazione innovativi o abbiano ottenuti risultati riguardevoli nell’applicazione 76 < il nuovo saggiatore della luce di sincrotrone o della radiazione emessa da free electron laser in uno specifico ambito di ricerca. Il bando 2012 ha suscitato l’interesse di ben 15 candidati ed il premio è stato vinto da Giovanni Drera, che ha conseguito il titolo di Dottore di Ricerca in Fisica, Astrofisica e Fisica Applicata presso l’Università degli Studi di Milano, discutendo la tesi “Electronic structure of TiO2 thin films and LaAlO3-SrTiO3 heterostructures: the role of titanium 3d 1 states in magnetic and transport properties”. Nel 2013 è intenzione della SILS emettere due bandi per premi per la miglior tesi di dottorato, uno dei quali riservato alle applicazioni in ambito biomedico. Infine, in coerenza con i compiti statutari della Società, la SILS esprime, quando ne ravvisa la necessità, pareri esperti su progetti di interesse della nostra comunità. Per esempio, nel 2012 è stato pubblicato un documento sul possibile uso dell’acceleratore SuperB come sorgente di luce di sincrotrone. Tale documento, frutto del lavoro di un gruppo interdisciplinare ed internazionale di esperti nominati dalla SILS, ha messo in evidenza punti di forza e limiti di tale progetto. 4 Prospettive della ricerca nell’ambito della luce di sincrotrone e dei laser ad elettroni liberi Sono diverse le sfide scientifiche e organizzative che la comunità di luce di sincrotrone e dei FEL dovrà affrontare nel prossimo futuro, vedi tabella II. La strumentazione di ESRF è in corso di profondo aggiornamento. La prima fase del “Upgrade Program” è in pieno svolgimento e prevede un programma articolato di ricostruzione di alcune beamline, il miglioramento di altre, l’ottimizzazione ulteriore della sorgente, la costruzione di nuovi laboratori di supporto e altro ancora. È in fase di discussione la seconda fase del Upgrade Program, il cui elemento essenziale è una radicale riprogettazione dell’acceleratore con una riduzione dell’emittanza orizzontale di un fattore 30/40. La comunità italiana può trarre grandi benefici da tali novità ed è opportuno mantenere tutto il supporto possibile alla principale facility europea, dove già operano molti scienziati italiani e un gran numero di utenti. La facility di Trieste si è, come già detto, arricchita con FERMI, un FEL che emette nell’ultravioletto da vuoto e, nel prossimo futuro, nei raggi X molli fino a circa 1 keV. Lo schema dell’acceleratore è innovativo e fornisce fasci di radiazione con proprietà di grandissimo interesse in termini di brillanza di picco, coerenza e risoluzione temporale; l’uso di un laser ottico esterno come seed permette stabilità e riproducibilità di emissione migliori di quanto ottenibile con l’emissione spontanea. I metodi sperimentali possibili con questo nuovo strumento sono probabilmente ancora in larga parte da scoprire e la loro ottimizzazione richiederà una approfondita conoscenza delle proprietà della sorgente. È importante fare in modo che la comunità italiana possa utilizzare al meglio questo nuovo strumento in ogni ambito scientifico. Ad Amburgo l’European Molecular Biology Laboratory [8], di cui l’Italia è stato fondatore e contributore sin dal 1974, ha di recente completato la costruzione sul nuovo anello f. boscherini: La Società Italiana di Luce di Sincrotrone – SILS di PetraIII di due nuove linee di luce per la biologia molecolare dedicate alla cristallografia e alle misure a basso angolo. La comunità italiana sicuramente potrà trarre grande beneficio dall’uso di questa strumentaziona avanzata. Sempre ad Amburgo è in costruzione European X-ray Free Electron Laser (European XFEL [9]); si prevede che i primi esperimenti si possano svolgere tra il 2015 e 2016. Si tratta di una collaborazione internazionale che coinvolge diversi paesi europei. La sorgente è basata su un acceleratore lineare con cavità a radiofrequenza superconduttive con emissione principalmente nei raggi X; le proprietà di emissione sono di enorme interesse e non è difficile prevedere che saranno possibili esperimenti radicalmente nuovi rispetto a quelli ora possibili. È essenziale che il nostro Paese partecipi a questi sviluppi a pieno titolo e alla pari con i partner europei. Per ottenere tale risultato è urgente la definizione delle modalità di partecipazione italiana alla struttura organizzativa di European XFEL, attualmente non chiarite. Sono al momento in costruzione o progettazione alcune infrastrutture di ricerca nel nostro campo, la cui evoluzione verrà seguita con attenzione dalla nostra comunità. Il progetto STAR, una collaborazione tra l’Università della Calabria e il CNISM e in corso di realizzazione presso l’Università della Calabria, prevede la costruzione di una sorgente basata su Thomson Back Scattering di elettroni relativistici e di stazioni sperimentali (inizialmente per applicazioni tomografiche); si tratta di un progetto su scala relativamente limitata ma ciononostante di grande interesse anche come possibile modello di sorgente di costo contenuto realizzata all’interno di un campus universitario. Nell’area romana, alcuni progetti di sorgenti avanzate di radiazione di sincrotrone si sono succeduti negli ultimi anni, grazie alla tradizione nel campo della fisica degli acceleratori e all’esistenza di un forte bacino di utenza locale: il progetto SPARC con il laboratorio annesso per lo studio della • • • • radiazione pulsata auto-amplificata, il progetto SPAR-X, il già menzionato SuperB e molto recentemente la nuova proposta IRIDE, per ora in fase di prima elaborazione, costituita da un laboratorio multi-disciplinare incentrato sullo sviluppo e sulla realizzazione di un acceleratore lineare basato su cavità a radiofrequenza superconduttrici. È indispensabile seguire con attenzione tale progetto, che potrebbe sfociare nella realizzazione di una delle sorgenti più avanzate a livello mondiale, facendo in modo che la progettazione della sorgente di fotoni avvenga con il pieno coinvolgimento della comunità di utenti. L’accesso alle grandi infrastrutture di ricerca di luce di sincrotrone è regolato da schemi di revisione dei progetti da parte di comitati di programma e valutazione dei risultati ottenuti dai gruppi di ricerca. Questo schema è stato per molti anni accompagnato da programmi generalisti (cioè, non tematici) di supporto all’utenza finanziati a livello europeo (“transnational access”) che hanno garantito l’accesso alle infrastrutture basato esclusivamente sul merito. Vari programmi di supporto si sono succeduti nel corso degli ultimi anni ed hanno garantito alla comunità scientifica l’accesso alle facility europee; è da notare che tali schemi non comprendono ESRF, il cui budget include il supporto all’utenza. Pertanto, la decisione della Commissione Europea di non finanziare il progetto ELISA nel 2011 ha causato grande sorpresa, mitigata soltanto in parte dal finanziamento di un progetto di supporto all’utenza di biocristallografia (INSTRUCT [10]). Dopo una fase di stallo in cui è venuto a mancare il supporto a livello europeo – e di conseguenza anche il supporto all’utenza italiana di Elettra – è stato approvato, anche se in forma ridotta, il progetto CALIPSO [11], che si concluderà nel 2015. È di fondamentale importanza adoperarsi affinché, anche dopo la conclusione di CALIPSO, vengano finanziati schemi di supporto all’utenza che garantiscano l’accesso alle infrastrutture di ricerca esclusivamente sulla base del merito scientifico. Approvazione a livello nazionale e con inquadramento europeo, di un programma di sviluppo decennale, condiviso e sostenibile, che coinvolga in modo vincolante tutti gli enti e le istituzioni, anche in considerazione dei nuovi progetti in corso di realizzazione o progettazione. Garantire l’ammodernamento della strumentazione delle beamline esistenti di elevato valore scientifico per la comunità. Rilancio dei progetti di ricerca legati all’uso della luce di sincrotrone e dei FEL condotti da gruppi universitari e di enti di ricerca. Prosecuzione, dopo la scadenza di CALIPSO, dei programmi di sostegno agli utenti a livello italiano ed europeo. Tab. II Punti chiave per una politica della ricerca italiana nel campo della luce di sincrotrone e dei laser ad elettroni liberi La strumentazione avanzata presente nei laboratori di luce di sincrotrone e le competenze dei ricercatori che vi operano garantiscono l’accesso a metodi sofisticati ed innovativi per l’analisi fine della materia ad una numerosa comunità scientifica. L’esperienza di diversi paesi ha dimostrato che un salto di qualità nel livello della ricerca si può ottenere finanziando progetti svolti in larga parte presso le facility, ma condotti da gruppi esterni (universitari o di enti di ricerca). Per esempio, in questo schema si possono realizzare camere sperimentali dedicate a ricerche in ambiti ben definiti o rivelatori innovativi specializzati. In Italia, l’esperienza dei progetti “PURS” dell’Istituto Nazionale per la Fisica della Materia è stato un grande successo ed i progetti “PIK” recentemente finanziati tramite la Sincrotrone Trieste seguono tale positiva tradizione. In Germania, il “Komitee Forschung mit Synchrotronstrahlung – KFS” [12] svolge da anni tale importante ruolo in stretto collegamento con il ministero federale, finanziando in modo sostanziale la ricerca condotta da gruppi universitari e di enti di ricerca presso le facility. Si tratta di un modello da considerare con grande attenzione anche per il nostro Paese. È auspicabile che nel futuro venga avviato un programma che permetta continuità nella emanazione di bandi per progetti collegati alla luce di sincrotrone sotto la responsabilità di gruppi esterni. Ringraziamenti Ringrazio i colleghi della Giunta Esecutiva, Carlo Mariani, Giovanni Stefani e Settimio Mobilio per il loro contributo alla stesura di questo articolo. Bibliografia [1] L. Palumbo, Il Nuovo Saggiatore, 28 N. 5-6 (2012) 52. [2] P. Jaeglé, G. Missoni, P. Dhez, Phys. Rev. Lett.,18 (1967) 887. [3] www.elettra.eu [4] www.esrf.eu [5] web2.infn.it/Dafne_Light [6] www.esuo.org [7] S. Mobilio e G. Vlaic (Curatori), “Synchrotron Radiation: Fundamentals, Methodologies and Applications”, Atti di Conferenze, vol. 82 (Società Italiana di Fisica, Bologna) 2003. [8] www.embl.de [9] www.xfel.eu [10] www.structuralbiology.eu [11] www.calipso.wayforlight.eu [12] http://sni-portal.uni-kiel.de/kfs/ vol29 / no1-2 / anno2013 > 77