Esplorando le frontiere dell’universo una giornata al CERN

Il viaggio che comincia su un tram affollato ci porta dal centro di Ginevra fino al piazzale blu dell’entrata del CERN, il Centro Europeo Ricerche Nucleari: un’organizzazione di prestigio mondiale che è il più grande laboratorio al mondo di fisica delle particelle, posto tra Francia e Svizzera, alla periferia ovest della città di Ginevra, nel Comune di Meyrin. Qui ci si occupa di studiare le particelle fondamentali dell’Universo e le leggi che regolano la loro interazione.

Siamo nel cuore della ricerca che nel 2012 ha portato alla conferma dell’esistenza del bosone di Higgs, scoperta che ha avuto un impatto significativo sulla nostra comprensione della struttura fondamentale dell’Universo. Ma questo è anche luogo di scoperta dei quark, della conferma dell’esistenza dei bosoni W e Z e di quella di particelle esotiche come i pentaquark e i tetraquark.

La terminologia utilizzata può sembrare ardua da comprendere perché la ricerca condotta al CERN è incentrata su interrogativi tanto complessi quanto affascinanti come le origini dell’Universo e la natura delle forze fondamentali che lo governano. Ed è proprio qui che inizia il viaggio che porta alla decifrazione dei misteri dell’Universo, ma anche a scoperte che conducono a benefici pratici, collegati pure alla salute e alla sanità: tutto inizia con la ricerca condotta in questa che pare una piccola città a sé stante nella campagna franco-ginevrina.

ISOLDE è un’installazione complessa del CERN, attiva pure a favore della ricerca in ambito medico

Abbiamo incontrato il fisico Joachim Vollaire, coordinatore tecnico di ISOLDE (Isotope Separator On Line Device), un’installazione dedicata allo studio delle proprietà dei nuclei atomici che ha l’obiettivo di sviluppare applicazioni nella ricerca fondamentale, dall’astrofisica alla ricerca in ambito medico legata alla radioterapia.

Il dottor Vollaire ci ha spiegato dettagliatamente ciò che avviene all’interno dei loro laboratori e acceleratori di particelle, in una narrazione molto affascinante.

“Quando mi chiedono cosa facciamo qui, mi piace rispondere che il nostro lavoro è un po’ come quello dell’alchimista che è capace di trasformare la materia da un elemento a un altro”, spiega con grande entusiasmo. Ritroviamo la stessa passione nelle parole di Melania Averna, ingegnere del CERN responsabile dei sistemi critici di sicurezza, sistemi critici per la sicurezza delle persone, dell’ambiente e delle installazioni, mentre ci mostra come la ricerca condotta a ISOLDE possa produrre risultati pure in ambito medico.

Ma prima di entrare nel vivo della questione, vogliamo condividere con voi proprio quell’entusiasmo e quella passione che ha mosso i nostri interlocutori nello spiegarci il loro lavoro, e come ci hanno permesso di visitare il laboratorio. Sì, perché il CERN è innanzitutto costituito da un gruppo di esperti appassionati del proprio lavoro di ricerca che, sottolineano più volte, è dedicata ad ottenere risultati che possano apportare benefici per tutta la comunità.

Ma torniamo alla spiegazione del dottor Vollaire su questa “trasmutazione” della materia. 

Molte le domande che ci vengono in mente vedendo alle sue spalle il laboratorio di ISOLDE che si presenta come una giungla di cavi, apparecchiature di misurazione e controllo elettronico e, soprattutto, separatori di isotopi: come avviene questa trasformazione di materia? Cosa comporta? A cosa può servire la ricerca in questo ambito?

“Riuscendo a scindere il nucleo dell’uranio giungiamo a generare numerose sostanze radioattive”, esordisce Vollaire. Sono i cosiddetti “isotopi” (varianti degli elementi chimici che differiscono per il numero di neutroni nel loro nucleo, ma con lo stesso numero di protoni) che hanno un ruolo fondamentale in molteplici settori, dalla datazione archeologica alla medicina nucleare nell’ambito sanitario.

Tramite un metodo chiamato Isotope Separator On-Line (ISOL), gli scienziati arrivano a creare degli isotopi radioattivi sempre a scopo di ricerca.

Raggiungere risultati a beneficio di tutta la comunità, anche in ambito sanitario: è la missione dei ricercatori del CERN

Un processo che ha inizio con l’accelerazione di protoni (particelle subnucleari che fanno parte del nucleo degli atomi e hanno una carica positiva) grazie a un acceleratore nucleare, il Booster del Proton Synchroton (PSB), in tal modo capace di generare un fascio di particelle ad alta energia (1,4 GeV). Questo fascio è indirizzato verso bersagli specifici, producendo così una vasta gamma di reazioni atomiche e degli isotopi radioattivi.

La dottoressa Averna spiega a noi profani che il principio è fondamentalmente semplice: “Immaginate due macchinine giocattolo che si scontrano tra di loro rompendosi in più pezzi: maggiore è la velocità con la quale si scontrano, più grandi saranno questi pezzi”. Lo stesso avviene per le particelle atomiche: “Più la loro velocità è elevata, più esse possono penetrare profondamente negli atomi e interagire con le particelle costituenti dell’atomo. Questo può portare a reazioni su scala maggiore o alla frammentazione delle particelle in parti più grandi (il bosone di Higgs è una particella pesante, ovvero di massa elevata)”. Quindi, in generale, la maggiore velocità può portare alla “creazione” di particelle più grandi durante una collisione.

Joachim Vollaire ci mostra dei dati ancora più soprendenti poiché questi nuclei possono essere accelerati ulteriormente nella fase di post accelerazione, nell’acceleratore HIE-ISOLDE, raggiungendo velocità di quasi 10 milioni di elettronvolt per nucleone.

Per ionizzare, estrarre e separare i nuclei in base alla loro massa vengono impiegati diversi sistemi che consentono così di produrre fasci a bassa energia, a loro volta successivamente inviati a varie stazioni sperimentali atte a condurre esperimenti di ricerca scientifica di vario genere.

“Per condurre le nostre ricerche utilizziamo il 50% dei protoni che sono prodotti qui al CERN”. È quanto afferma Vollaire al quale chiediamo con quali risultati: “Da ISOLDE, sono stati prodotti e impiegati più di 1.300 isotopi appartenenti a oltre 70 elementi, in una vasta gamma di campi di ricerca tra cui la ricerca in ambito medico”.

Le scoperte della fisica delle particelle arricchiscono la medicina di nuove prospettive, rispondendo con coraggio alle sfide quotidiane della salute

Tra le ricerche troviamo l’impiego di queste sostanze radioattive per i trial preclinici per le cure in ambito di radioterapia. Sono studi effettuati da MEDICIS, un progetto gestito dall’istallazione ISOLDE, che si concentra sulla produzione di radio-isotopi destinati a ricerche per scopi medici, come il trattamento del cancro e la diagnosi di malattie, contribuendo così alla ricerca e all’innovazione nel campo della medicina nucleare. Ciò ha favorito la nascita di una rete tra istituti leader nella fornitura di isotopi non convenzionali per la ricerca medica e biologica, tra cui si contano istituzioni come l’Ospedale universitario cantonale (CHUV) a Losanna, l’Università tecnica di Danimarca (DTU), il National Physical Laboratory in Inghilterra (NPL) e altre istituzioni di fama internazionale, nell’ambito del programma PRISMAP finanziato dalla Commissione europea.

Di fatto, questi radio-isotopi aiutano non solo a diagnosticare il cancro e altre malattie, ma possono anche fornire dosi di radiazioni estremamente precise per trattare le cellule malate senza danneggiare i tessuti sani circostanti.

“È importante sottolineare che l’obiettivo principale rimane focalizzato alla produzione a fini di ricerca principalmente destinata ad applicazioni pre-cliniche, ossia agli studi pre-clinici necessari prima di giungere a qualsiasi tipo di applicazione in ambito clinico”, specifica Averna mostrando altresì l’eccezione di una ricerca condotta in Germania, presso il Centro ospedaliero universitario di Heidelberg, dove alcuni dei radionuclidi producibili ma non prodotti a MEDICIS sono stati impiegati nella cosiddetta “cura compassionevole” (ndr: uso terapeutico di farmaci sperimentali ad di fuori degli studi clinici) di tumori in pazienti terminali. Ricerca che mostra dei risultati a dir poco eccezionali fra i quali un caso di guarigione del paziente.

Siamo meravigliati da ciò che abbiamo potuto vedere e imparare dalle appassionate spiegazioni e dall’esperienza condivisa dai nostri interlocutori, e torniamo in città con lo sguardo rivolto al futuro. Ci accompagna una nuova consapevolezza: attraverso l’esplorazione delle profondità dello spazio, e con lo studio delle leggi fondamentali della natura, possiamo accrescere non solo la nostra comprensione dell’universo, ma sviluppare pure tecnologie innovative e individuare soluzioni pratiche che possano migliorare la vita sulla Terra.

Infine, proprio grazie alle scoperte nel campo della fisica delle particelle, la medicina si arricchisce di nuove prospettive, rispondendo con coraggio e precisione alle sfide quotidiane che incontriamo ogni giorno nel nostro viaggio terreno.