Occhialini, Giuseppe Paolo Stanislao
Giuseppe Paolo Stanislao Occhialini
Studioso dei raggi cosmici, Occhialini svolse la sua prima attività di ricerca a Cambridge, dove collaborò con Patrick Maynard Stuart Blackett (1897-1974) alla realizzazione della camera a nebbia controllata con la quale fu confermata l’esistenza del positrone. Nel 1948 a Blackett fu assegnato il premio Nobel per la fisica. Occhialini fu ancora una volta vicino al Nobel, tuttavia assegnato, nel 1950, a Cecil Frank Powell (1903-1969), con il quale aveva collaborato per lo sviluppo del metodo fotografico nello studio dei processi nucleari. Alla fine degli anni Cinquanta, con la costruzione degli acceleratori di particelle, e con il lancio dello Sputnik nel 1957, lo scenario dello studio delle particelle elementari subì un profondo cambiamento. Occhialini si dedicò alla fisica dello spazio e, anche grazie al suo contributo, nel 1975 fu costituita l’ESA (European Space Agency).
La vita
Giuseppe (‘Beppo’) Paolo Stanislao Occhialini, figlio del fisico Raffaele Augusto e di Etra Grossi, nacque il 5 dicembre 1907 a Fossombrone. Fa parte dell’eccentricità del personaggio l’iniziale S. – insieme alla G. di Giuseppe e alla P. di Peppino – che comparve nei lavori di Occhialini durante il suo soggiorno a Cambridge. S., secondo Occhialini stava per Sommerfeld, un soprannome che aveva adottato quando era studente. In effetti, da un certificato di nascita stilato negli anni Cinquanta risulta Giuseppe Paolo Stanislao. L’atto originale, infatti, andò distrutto durante un bombardamento.
La famiglia Occhialini seguì il padre nei suoi spostamenti tra diverse università italiane. Nel 1918 lasciò l’Università di Pisa per diventare assistente di Antonio Garbasso all’Università di Firenze, dove Beppo frequentò il liceo scientifico e, dopo la maturità, si iscrisse al corso di laurea in fisica a partire dal 1927, laureandosi nel 1930. Proprio in quel periodo Firenze si apprestava a diventare con Roma, dove operava il gruppo di Enrico Fermi, uno dei centri propulsori della nuova fisica: la Scuola di Arcetri, sotto la guida di Enrico Persico (1900-1969), comprendeva, tra gli altri, anche Bruno Benedetto Rossi (1904-1945) e Gilberto Bernardini (1906-1995).
I fisici fiorentini si specializzarono nell’uso del contatore di Geiger-Müller (GM). Una svolta all’attività di ricerca venne dai risultati di Walter Wilhelm Bothe e Werner Kolhörster (Das Wesen der Höhenstrahlung, «Zeitschrift für Physik», 1929, 56, p. 751-77). Essi suscitarono l’interesse di Rossi, che trascorse a Berlino i mesi estivi del 1930 presso il laboratorio di Bothe con una borsa del Consiglio nazionale delle ricerche (CNR). Al suo ritorno a Firenze Rossi orientò l’attività di ricerca verso lo studio dei raggi cosmici, mettendo a punto, nel giro di pochi mesi, il suo metodo delle coincidenze basato sulle valvole termoioniche. Rossi incoraggiò il neolaureato Beppo a studiare sostanze debolmente radioattive facendo uso di contatori.
Dopo un periodo presso il Cavendish laboratory a Cambridge, Occhialini continuò la sua attività di ricerca in Brasile. Dopo la guerra tornò in Inghilterra, a Bristol, e poi a Bruxelles. A partire dal 1952 fu professore presso l’Università degli studi di Milano fino al pensionamento.
I suoi interessi erano molteplici: dalla letteratura all’arte, dalla speleologia all’alpinismo. Morì a Parigi il 30 dicembre 1993.
Gli anni della formazione: Cambridge e la scoperta del positrone
Nel 1931 una borsa di studio del CNR permise a Occhialini di recarsi nel Cavendish laboratory di Cambridge, diretto da lord Ernest Rutherford (1871-1937). Oltre all’interesse per lo studio dei raggi cosmici, Occhialini aveva una conoscenza approfondita del contatore di Geiger-Müller e conosceva il circuito di coincidenza di Rossi. Le ricerche al Cavendish riguardavano essenzialmente la fisica nucleare. Il Cavendish continuava la tradizione di ricerca del suo direttore che prevedeva la produzione di fenomeni visibili. Essi usavano, infatti, scintillatori, lastre fotografiche e camere a nebbia. Molto meno usato era invece il contatore GM. L’incrocio fra le conoscenze di Occhialini con quelle di Blackett portò a risultati eccezionali.
Fu progettata una nuova camera a nebbia, controllata dal circuito di coincidenza, che consentiva la visualizzazione, con elevata frequenza, delle tracce lasciate dal passaggio dei raggi cosmici attraverso di essa (P.M.S. Blackett, On the technique of the counter controlled cloud chamber, «Proceedings of the Royal society of London. Series A», 1934, 146, pp. 181-299). Il più importante lavoro pubblicato da Blackett e Occhialini fu comunicato alla Royal society il 7 febbraio 1933 (P.M.S. Blackett, G.P.S. Occhialini, Some photographs of the tracks of penetrating radiation, «Proceedings of the Royal society of London. Series A», 1933, 134, pp. 699-727). I due autori mostravano che la particella da essi trovata era la stessa scoperta da Carl David Anderson (1905-1991) nel 1932 e ipotizzata da Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984) nel 1931. Ma, mentre Anderson si era limitato ad annunciare l’esistenza di un elettrone positivo, gli studi al Cavendish mostravano che il positrone era l’antiparticella dell’elettrone, e che era prodotto insieme a un elettrone dall’interazione di un raggio gamma cosmico con la materia. Era la prima prova osservativa della trasformazione einsteiniana di energia in materia.
Nel 1948 il premio Nobel per le scoperte in fisica nucleare e nei raggi cosmici sarà assegnato a Blackett che, in una lettera ad Augusto, padre di Occhialini, e anche in altre occasioni, si rammaricò che non fosse stato attribuito anche a Beppo.
Nel 1934 Occhialini dovette tornare in Italia per il servizio militare effettuato presso la Scuola militare di Lucca, al termine del quale prese una decisione piuttosto difficile. Pur essendo iscritto al partito fascista, era contrario al regime, e non si trovava più a suo agio in Italia. Per la sua azione di diffusione clandestina di materiale antifascista fu sospettato di attività terroristica. Probabilmente su sollecitazione del padre Augusto, nel 1937 il fisico Gleb Wataghin (1899-1986) invitò Occhialini a São Paulo per aiutarlo nelle ricerche sui raggi cosmici.
In Brasile e in Inghilterra
Nel 1937 Occhialini si recò a São Paulo in Brasile, formalmente come professore di fisica nella scuola media per gli italiani Dante Alighieri; di fatto insegnava fisica sperimentale all’Università paulista. Lì preparò un esperimento per osservare grandi sciami cosmici, arricchendo sempre più la tecnologia necessaria con innovazioni sui telescopi, sui contatori GM, sui contatori piani, e sui necessari circuiti elettronici. Anche in una situazione di scarsità di risorse tecnologiche e finanziarie Occhialini si industriò affinché si potesse fare ricerca di frontiera basata su strumenti semplici, assemblati artigianalmente (Gariboldi 2006).
Nell’agosto del 1942 il Brasile dichiarò guerra all’Italia e Occhialini fu espulso dall’Università di São Paulo. Il disinteresse del governo italiano e il veto posto da quello inglese all’estradizione di fisici impegnati nel nucleare lo costrinsero a rifugiarsi sulle montagne di Itatiaya, dove visse in una capanna meteorologica e si guadagnò da vivere facendo la guida alpina. Grazie all’aiuto di Blackett, Occhialini potè rientrare in Inghilterra il 23 gennaio 1945 e accettò l’invito dei Wills laboratories a Bristol, dove arrivò nel settembre 1945.
Presso i Wills laboratories diretti da Powell si faceva uso delle emulsioni nucleari prodotte sperimentalmente dalla ditta Ilford e le si esponevano ad alta quota per rilevare la disintegrazione dovuta alla collisione dei raggi cosmici con l’atmosfera. Gli scienziati si aspettavano di trovare fra i prodotti di disintegrazione il mesone π, una particella la cui esistenza era stata prevista da Hideki Yukawa (1907-1981), nel 1935, come responsabile dell’interazione nucleare forte. Powell decise di sviluppare la tecnologia delle emulsioni Ilford preferendola alla camera a nebbia a causa della superiorità dei loro risultati.
In un lavoro del 1946 (A new photographic emulsion for the detection of fast charged particles, «Journal of scientific instruments», 1946, 23, pp. 102-106) Powell, Occhialini, Derek L. Livesey e L.V. Chilton descrissero la tecnica delle emulsioni fotografiche nella fisica nucleare e delle particelle. A Bristol Occhialini inventò con Powell e Cecil Waller un nuovo tipo di lastre, che costituirono un grandissimo miglioramento nella tecnica delle emulsioni nucleari. Durante una delle sue vacanze nei Pirenei Occhialini espose le emulsioni sul Pic-du-Midi per un mese.
E, nella stessa notte del suo ritorno a Bristol, sviluppò le emulsioni. Fu immediatamente chiara la differenza fra le lastre normali e le nuove. Marietta Kurz trovò la traccia di un mesone π fino al suo punto di arresto e anche una seconda traccia, che cominciava dalla fine della prima, di un secondo mesone, di fatto un muone, che si fermava nella stessa emulsione. Lo scattering multiplo permetteva di ottenere una prima valutazione della massa del mesone π. Pochi giorni dopo Irene Roberts trovò un caso analogo. Questi risultati furono pubblicati su «Nature» (C.G.M. Lattes, H. Muirhead, G.P.S. Occhialini, C.F. Powell, Processes involving charged mesons, «Nature», 1947, 159, pp. 694-97).
La scoperta rappresentava un passo importante nella storia della comprensione della struttura della materia. Essa fu confermata dalle misure di César Lattes nella stazione ad alta quota di Chacaltaya in Bolivia. Il primo mesone (il mesone π) fu indentificato con il mesone di Yukawa e il secondo con il mesone di Anderson (il muone). Veniva inoltre postulata la tipica reazione di decadimento del mesone π che prevedeva una particella neutra di piccola massa, allora identificata con il neutrino muonico (C.M.G. Lattes, G.P.S. Occhialini, C.F. Powell, A determination of the ratio of the masses of π- and µ-mesons by the method of grain-counting, «Proceedings of the Physical society», 1948, 61-62, pp. 173-83).
Il rapido sviluppo della tecnica delle emulsioni nucleari avvenne in stretta connessione con il parallelo sviluppo nella tecnica microscopica. Le emulsioni nucleari esposte al Pic-du-Midi furono studiate con il microscopio riflettore (W.J. Bates, G.P.S. Occhialini, Applications of the reflecting microscope to the nuclear plates technique, «Nature», 1948, 161, p. 473).
Il ruolo svolto da Occhialini nella scoperta del mesone π fu importante come quello svolto a Cambridge nell’identificazione del positrone. Neppure in questo caso a Occhialini venne attribuito il premio Nobel che nel 1950 fu assegnato soltanto a Powell per lo sviluppo del metodo fotografico nello studio dei processi nucleari e per le sue scoperte riguardanti i mesoni. Nello stesso anno, Occhialini fu però insignito del premio Charles Vernon Boys della Società di fisica di Londra.
Un prestigioso riconoscimento della sua lunga attività scientifica fu anche il premio Wolf, che gli fu assegnato nel 1979 insieme a George Eugene Uhlenbeck (1900-1988), uno degli scopritori dello spin.
Bruxelles e Milano
Nel 1948, Occhialini accettò l’invito di Max Cosyns a raggiungerlo a Bruxelles per dare vita al Centre de physique nucléaire presso la Université libre. Nel 1950 sposò Constance (‘Connie’) Charlotte Dilworth (1924-2004), una ricercatrice inglese con la quale aveva collaborato a Bristol nel laboratorio di Powell e insieme alla quale, nel 1948, aveva scritto due fondamentali articoli sullo sviluppo e il trattamento in modo uniforme delle emulsioni (C.C. Dilworth, G.P.S. Occhialini, R.M. Payne, Processing thick emulsions for nuclear research, «Nature», 1948, 162 pp. 102-103; C.C. Dilworth, G.P.S. Occhialini, E. Samuel, Eclaircissement des plaques photographiques nucléaires, «Bulletin du Centre de physique nucléaire de l’Université libre de Bruxelles», 1948, 2). Il contributo di Dilworth alle loro ricerche si dimostrò essenziale soprattutto quando, con il passare degli anni, Occhialini fu sempre più impegnato in attività di tipo istituzionale.
A Bruxelles Occhialini portò avanti con Connie lo studio delle emulsioni nucleari. Lo sviluppo della tecnica delle emulsioni nucleari richiese una costante interazione con le industrie ottiche che producevano microscopi. L’utilizzo delle emulsioni nucleari nello studio dei raggi cosmici continuò anche dopo il ritorno di Occhialini in Italia.
Professore a Genova dal 1950 e a Milano dal 1952, Occhialini impegnò i suoi gruppi di ricerca nelle collaborazioni europee di studio nei raggi cosmici dei mesoni K, che si concretizzarono in una serie di voli in pallone di pacchi di emulsioni nucleari che culminarono con il G-Stack.
Lo studio delle particelle elementari al bivio
Fino agli anni Cinquanta i fisici avevano studiato le particelle elementari soltanto nei raggi cosmici. Ma nel 1953 entrò in funzione a Brookhaven il Cosmotron, dove si producevano particelle pesanti instabili trovate nei raggi cosmici. E nel 1957 entrò in funzione al CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) di Ginevra il primo Synchrocyclotron. Le particelle elementari potevano, quindi, essere studiate in laboratorio, nelle macchine acceleratrici, dove la possibilità di controllare gli eventi era molto più elevata e comoda. I ricercatori si trovarono di fronte a scelte difficili. L’età dell’oro della fisica dei raggi cosmici – che aveva permesso la scoperta del positrone, dei mesoni π e μ, dei mesoni K e degli iperioni – era finita. Dalla ‘little science’ si doveva passare alla ‘big science’. Con una certa nostalgia, Occhialini ricorderà come Blackett fosse allo stesso tempo un bricoleur, capace di progettare e costruire, pezzo dopo pezzo, il suo apparato, e uno scienziato che procedeva per intuizione nella costruzione dei suoi modelli teorici (G.P.S. Occhialini, Tribute to commemorate Lord Blackett, in Memorial meeting for Lord Blackett [...] at the Royal society on 31 October 1974, «Notes and records of the Royal society of London», 1975, 29, pp. 144-46.). Dagli anni Sessanta in avanti sarà inconcepibile pensare di fare ricerca scientifica ancora in quel modo.
La 3° Conferenza internazionale sui raggi cosmici, tenuta a Bagnères de Bigorre nel 1953, segnò il passaggio della fisica subatomica dalla ricerca nei raggi cosmici ai nuovi acceleratori (Cronin 2011). Il lancio dello Sputnik, nel 1957, costituì un ulteriore scossone. Agli studiosi era offerta la possibilità di portare i loro strumenti al di fuori dell’atmosfera terrestre e della magnetosfera, anche se i palloni stratosferici continueranno a essere usati. Ma organizzare spedizioni scientifiche con satelliti e lanciatori era un’impresa complessa e costosa, che richiedeva una nuova organizzazione della ricerca scientifica e un’elevata capacità di coordinamento tra scienza applicata, ricerca tecnologica, sviluppo industriale. Solo un’organizzazione sovrastatale, dotata di ingenti risorse umane e finanziarie, avrebbe potuto raggiungere obiettivi così ambiziosi. L’era degli ‘Jack of all trades’, come in qualche modo si sentivano i primi studiosi dei raggi cosmici, era tramontata.
La complessità delle macchine e del calcolo, che sta schiacciando i fisici sperimentali tra i matematici e gli ingegneri, è già iniziata (G.P.S. Occhialini, Tribute to commemorate Lord Blackett, in Memorial meeting for Lord Blackett [...] at the Royal society on 31 October 1974, «Notes and records of the Royal society of London», 1975, 29, pp. 144-45).
Occhialini, come altri fisici della sua generazione, temeva che la figura del fisico sarebbe scomparsa. In effetti, la storia successiva suggerisce che, contrariamente alle catastrofiche previsioni, una nuova figura di scienziato si stava formando e i fisici avrebbero avuto un ruolo rilevante (Ziman 1995).
Il lancio dello Sputnik aveva spinto Rossi, allora al Massachusetts institute of technology (MIT), a iniziare una serie di ricerche in fisica dello spazio. L’anno sabbatico trascorso da Occhialini e Dilworth al MIT con Rossi nel 1959-60 segnò il passaggio delle loro ricerche alla fisica dello spazio. Al bivio tra acceleratori e spazio, Occhialini e Dilworth scelsero lo spazio e si impegnarono nella costruzione di una rete europea per la realizzazione di validi progetti di ricerca scientifica che prevedevano l’invio di strumenti al di là dell’atmosfera terrestre.
Dopo i primi passi del COPERS (Commission Préparatoire Européenne pour la Recherche Spatiale) a Parigi, Occhialini fu membro autorevole del Council of the scientific and technical committee della nuova European space research organisation (ESRO). Divenne responsabile del COS-Group (Advice committee for cosmic rays physics) e membro del Launching program advisory committee (LPAC), che aveva il compito di scegliere le missioni spaziali europee. Furono organizzate le missioni HEOS A1, TD1, HEOS A2, e COS-B.
Il satellite COS-B, lanciato nel 1975, permise di tracciare la prima mappa dettagliata della galassia e di ottenere il primo catalogo di sorgenti discrete nell’intervallo di alcune centinaia di MeV. COS-B fu il primo grande successo europeo nell’astrofisica delle alte energie. Con COS-B Occhialini dimostrò che era possibile e conveniente costruire una rete sovranazionale di collaborazioni. Nel 1975 ESRO ed ELDO (European Launcher Development Organization), organizzazione industriale per la progettazione di lanciatori europei, si fusero e diedero origine all’European space agency (ESA). COS-B fu l’ultimo successo scientifico di Occhialini.
Opere
Il materiale di archivio di Giuseppe Paolo Stanislao Occhialini è custodito presso il Dipartimento di fisica dell’Università degli studi di Milano.
P.M.S. Blackett, G.P.S. Occhialini, Some photographs of the tracks of penetrating radiation, «Proceedings of the Royal society of London. Series A», 1933, 134, pp. 699-727.
C.F. Powell, G.P.S. Occhialini, D.L. Livesey, L.V. Chilton, A new photographic emulsion for the detection of fast charged particles, «Journal of scientific instruments», 1946, 23, pp. 102-106.
C.G.M. Lattes, H. Muirhead, G.P.S. Occhialini, C.F. Powell, Processes involving charged mesons, «Nature», 1947, 159, pp. 694-97.
W.J. Bates, G.P.S. Occhialini, Applications of the reflecting microscope to the nuclear plates technique, «Nature», 1948, 161, p. 473.
C.C. Dilworth, G.P.S. Occhialini, R.M. Payne, Processing thick emulsions for nuclear research, «Nature», 1948, 162, pp. 102-103.
C.C. Dilworth, G.P.S. Occhialini, E. Samuel, Eclaircissement des plaques photographiques nucléaires, «Bulletin du Centre de physique nucléaire de l’Université libre de Bruxelles», 1948, 2.
C.M.G. Lattes, G.P.S. Occhialini, C.F. Powell, A determination of the ratio of the masses of π- and µ-mesons by the method of grain-counting, «Proceedings of the Physical society», 1948, 61-62, pp. 173-83.
Note autobiografiche, in Scienziati e tecnologi contemporanei, 2° vol, Milano 1974, pp. 322-24.
Tribute to commemorate Lord Blackett, in Memorial meeting for Lord Blackett [...] at the Royal society on 31 October 1974, «Notes and records of the Royal society of London», 1975, 29, pp. 144-46.
Bibliografia
Congrès international sur le rayonnement cosmique, tenu à Bagnères de Bigorre les 6-12 juillet 1953, Paris 1953.
C.F. Powell, The cosmic radiation, in Nobel lectures. Physics 1942-1962, New York 1964, pp. 144-57.
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B. Lovell, Patrick Maynard Stuart Blackett, Baron Blackett, of Chelsea, «Biographical memoirs of the fellows of the Royal society of London», 1975, 21, pp. 1-115.
The birth of particle physics, ed. L. M. Brown, L. Hoddeson, Cambridge 1983.
B. Rossi, Arcetri, 1928-1932, in Early history of cosmic ray studies. Personal reminiscences with old photographs, ed. Y. Sekido, H. Elliot, Dordrecht 1985.
G. Tagliaferri, Giuseppe Occhialini, «Rendiconti Istituto lombardo», 1994, 128, pp. 231-40.
J. Ziman, Some reflections on physics as a social institution, in Twentieth century physics, ed. L.M. Brown, A. Pais, B. Pippard, 3° vol., Bristol-Philadelphia-New York 1995, pp. 2041-59.
L. Scarsi, Giuseppe Occhialini. Il secondo periodo italiano (1950-1993), «Il Nuovo Cimento C», 1997, 20, pp. 613-18.
G.F. Bignami, Giuseppe Paolo Stanislao Occhialini. 5 December 1907-30 December 1993, «Biographical memoirs of the fellows of the Royal society of London», 2002, 48, pp. 331-40.
V. Telegdi, Giuseppe Occhialini. 5 december 1907-30 december 1993, «Proceedings of the American philosophical society», 2002, 146, pp. 218-22.
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L. Scarsi, Cosmic rays in Florence. Bruno Rossi and the ‘Group of Arcetri’, in Proceedings of the 19th European cosmic ray symposium, Firenze (30 agosto-3 settembre 2004), «International journal of modern physics A», November 2005, 29, pp. 6539-44.
L. Gariboldi, Occhialini’s scientific production between the two English periods, in The scientific legacy of Beppo Occhialini, a cura di P. Redondi, G. Sironi, P. Tucci, G. Vegni, Bologna 2006, pp. 71-77.
The scientific legacy of Beppo Occhialini, a cura di P. Redondi, G. Sironi, P. Tucci, G. Vegni, Bologna 2006 (nell’Appendix A del volume è data la lista delle pubblicazioni a stampa di Occhialini).
J.W. Cronin, The 1953 Cosmic ray conference at Bagnères de Bigorre, «The European physical journal H», 2011, 36, pp. 183-201.