TOUSCHEK, Bruno

TOUSCHEK, Bruno

– Nacque a Vienna il 3 febbraio 1921 da Franz Xaver, un ufficiale dell’esercito austriaco, e da Camilla Weltmann, che apparteneva a una famiglia di intellettuali e artisti ebrei.

Iscritto alla facoltà di fisica dell’Università di Vienna nel 1939, ne fu poi espulso nel giugno del 1940 a causa dell’origine ebraica da parte di madre, a seguito dell’applicazione delle leggi razziali seguite all’annessione dell’Austria alla Germania di Hitler. Nel 1942, per proseguire gli studi e ormai nell’impossibilità di emigrare dopo lo scoppio della guerra, si trasferì in Germania, frequentando in incognito le università di Amburgo e Berlino, protetto da alcuni dei grandi fisici teorici tedeschi. La necessità di mantenersi lo portò in contatto con Rolf Widerøe, un ingegnere norvegese che proponeva un progetto per costruire in Germania un betatrone, ovvero un acceleratore per elettroni già felicemente sperimentato da Donald Kerst negli Stati Uniti e ispirato proprio da un precedente lavoro dello scienziato norvegese. Nella speranza, infondata, che gli elettroni accelerati in un betatrone potessero produrre intensi fasci di raggi X da utilizzare come arma contro gli aerei nemici – il famigerato raggio della morte – il ministero dell’Aviazione del Terzo Reich finanziò la proposta di Widerøe trasformandola in un progetto segreto, cui partecipò anche Touschek, incaricato di fare i calcoli teorici.

Nel settembre del 1944 il betatrone cominciò a funzionare ad Amburgo ma, nel marzo successivo, l’avvicinarsi delle forze alleate ne obbligò lo spostamento a Wrist. A metà marzo, al suo ritorno ad Amburgo, Touschek fu arrestato dalla Gestapo. Iniziò così una drammatica odissea: sfuggito incredibilmente alla morte durante una marcia forzata verso il campo di concentramento di Kiel, passò poi da una prigione all’altra, e fu finalmente liberato alla fine di aprile del 1945.

All’inizio del 1946 si spostò a Gottinga, dove stava iniziando l’opera di ricostruzione della scienza tedesca, devastata dalla distruzione del Paese e dall’esodo massiccio di scienziati e intellettuali ebrei causato dalla politica antisemita del Reich. Nel giugno del 1946, all’Università di Gottinga, Touschek conseguì il titolo di Diplomphysiker con una tesi sulla teoria del betatrone. Nei successivi sei mesi fu assistente di Werner Heisenberg, uno dei più eminenti fisici tedeschi, tra i padri fondatori della meccanica quantistica.

Nella primavera del 1947, con una borsa di studio del governo britannico, Touschek si trasferì all’Università di Glasgow, dove conseguì il titolo di philosophy doctor nel 1949. Nominato lettore di fisica, proseguì nella sua formazione come fisico teorico, interessandosi a problemi di fisica nucleare e delle particelle elementari. Risale a questo periodo il lavoro con Walter Thirring sulla cosiddetta catastrofe infrarossa, in cui formulava il relativo teorema di Bloch e Nordsieck del 1937 nel linguaggio covariante della moderna elettrodinamica quantistica (Thirring - Touschek, 1951).

Nel 1953 Touschek, invitato da Edoardo Amaldi, si trasferì a Roma con un contratto di ricerca presso l’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare). L’unicità di Touschek – un fisico teorico con una significativa esperienza nel campo nascente degli acceleratori di alta energia – rappresentava una grande opportunità per l’Italia che stava per lanciarsi nell’impresa di costruire un elettrosincrotrone e un laboratorio nazionale che l’ospitasse. Nell’intento di Edoardo Amaldi e Gilberto Bernardini, gli eredi di Enrico Fermi e Bruno Rossi, questa impresa era parte di un grandioso progetto di ricostruzione e rilancio della fisica europea dopo la seconda guerra mondiale, centrato sulla costruzione a Ginevra di un grande laboratorio europeo, il CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), e di un acceleratore di protoni che potesse competere con le macchine americane.

Al suo arrivo nell’Istituto di fisica di Roma, alla fine del 1952, Touschek si trovò immerso in un’atmosfera entusiasmante. La comunità dei fisici italiani, decimata dall’emigrazione di molti dei suoi esponenti di rilievo per motivi politici o razziali, stava ponendo le basi per la riconquista dell’eccellenza prebellica, in stretto dialogo con il mondo scientifico internazionale. Brillante e ugualmente pieno di entusiasmo, Touschek entrò subito in sintonia con i colleghi teorici e, nei sette anni successivi, diede contributi rilevanti allo studio delle simmetrie discrete delle particelle elementari, dell’invarianza delle interazioni sotto inversione del tempo e delle proprietà dei neutrini. La trasformazione di Cini-Touschek, tuttora di rilievo in ambito matematico, risale a quegli anni (Cini - Touschek, 1958), come pure lo studio delle trasformazioni chirali (Touschek, 1957).

Nel 1955 Touschek tornò a Glasgow per sposare Elspeth Yonge, figlia del noto zoologo sir Maurice Yonge, dalla quale ebbe i figli Francis e Stephen. Durante quegli anni, mentre i Paesi europei si impegnavano nella fondazione del CERN, proseguivano in Italia, sotto la guida di Giorgio Salvini, il progetto e la costruzione dell’elettrosincrotrone e dei LNF (Laboratori Nazionali di Frascati) che l’avrebbero ospitato.

Quando il sincrotrone entrò in funzione nel 1959, l’interesse di Touschek fu di nuovo attratto dalle macchine acceleratrici. Fu così che all’inizio degli anni Sessanta la sua esperienza nei problemi degli acceleratori di particelle, unita all’originalità delle sue idee, ne fecero un pioniere nel campo dei collisionatori materia-antimateria. Il 17 febbraio 1960, in una riunione indetta per decidere della creazione di un gruppo teorico nei laboratori, Touschek avanzò la proposta di utilizzare l’elettrosincrotrone per realizzare un esperimento in cui l’annichilazione fra materia (elettroni) e antimateria (positroni) avrebbe portato alla creazione di nuove particelle. L’idea di utilizzare il sincrotrone venne respinta, ma i fisici presenti approvarono la costruzione di un prototipo ad hoc con il quale sperimentare la fattibilità dell’esperimento proposto da Touschek e lo invitarono a preparare un progetto.

Il 7 marzo 1960 venne approvata la costruzione di AdA (Anello di Accumulazione), un tipo completamente nuovo di macchina acceleratrice in cui accumulare fasci di elettroni e positroni per farli circolare nella stessa orbita, accelerandoli alla stessa velocità in direzioni opposte fino a farli scontrare e annichilarsi, una volta raggiunta l’energia di 250 milioni di elettronvolt ciascuno, scelta da Touschek per creare coppie di particelle elementari non esistenti prima dell’annichilazione.

La realizzazione di una macchina simile rappresentava una sfida senza precedenti. La fiducia di Touschek nelle proprietà di simmetria dell’intero sistema, garantite dal teorema di invarianza noto come CPT, assicurava che particelle e antiparticelle, se accelerate lungo la stessa orbita circolare, si sarebbero incontrate e annichilate. Un problema del tutto nuovo, sottolineava però Touschek, era quello di creare e accumulare una quantità sufficientemente grande di antimateria in laboratorio e garantire nella ciambella di AdA la stabilità dell’orbita di equilibrio degli elettroni e positroni, determinata sia dal magnete in cui era incastonata la ciambella, sia da un vuoto estremamente spinto all’interno della stessa, mai realizzato prima di allora.

Un gruppo di tecnici, fisici e ingegneri di eccezionali capacità si mise al lavoro e in meno di un anno, AdA, con un anello di 408 cm di circonferenza, fu costruita nei Laboratori di Frascati. I primi elettroni circolarono il 27 febbraio 1961, ma già dal novembre del 1960 la certezza di Touschek del successo del suo ‘esperimento’ lo portò a formulare un piano per un collisionatore ben più grande e potente, con una energia degli elettroni circa 6 volte maggiore e con dimensioni (150 m) dell’anello 40 volte più grandi. Per questa macchina del futuro, Touschek pensò al nome ADONE.

Quando i primi elettroni circolarono in AdA fu un grande successo, ma nei mesi a seguire apparve chiaro che l’elettrosincrotrone non consentiva di iniettare nell’anello un numero di elettroni e positroni sufficiente per dimostrare la fattibilità del progetto per la produzione di nuove particelle. Per superare questo ostacolo AdA fu trasportata in Francia, a Orsay, dove nel 1959 era stato realizzato un acceleratore lineare con un potente fascio di elettroni. A partire dal luglio del 1962 il gruppo di AdA e i collaboratori francesi iniziarono così nuove sperimentazioni, utilizzando diverse tecniche di misura e posizionamento della macchina presso l’acceleratore lineare.

Il punto di svolta avvenne nel febbraio del 1963 con la scoperta dell’effetto AdA, ora noto come effetto Touschek, che produce una instabilità nel fascio di elettroni (o positroni) dovuta a collisioni all’interno del fascio stesso (Bernardini et al., 1963). Questo effetto influenza il funzionamento di tutte le macchine con fasci incrociati, ma il genio di Touschek – e il motivo per cui questo effetto tutt’oggi porta il suo nome – sta nell’avere compreso il meccanismo alla base di tali perdite di intensità dei fasci, che fortunatamente diminuisce all’aumentare dell’energia della macchina.

L’effetto obbligò Touschek e il suo gruppo a spostare l’obiettivo da quello di dimostrare la creazione di nuove particelle a quello di provare l’avvenuta annichilazione tramite la misura di un processo quantistico quale la collisione con emissione di un fotone. Questo esperimento ebbe successo e concluse la sperimentazione con AdA nella primavera del 1964 (Bernardini et. al., 1964).

Tali rilevanti risultati, pubblicati in quattro articoli succedutisi fra il 1960 e il 1964, dimostrarono che i collisionatori, che acceleravano particelle e antiparticelle per farle scontrare nel centro di massa, erano fattibili e costituivano uno strumento indispensabile per studiare la struttura delle interazioni fra le particelle elementari. Si convinsero anche i più scettici e, negli anni a venire, collisori più potenti di AdA furono costruiti in diversi laboratori di tutto il mondo e al CERN di Ginevra.

In Italia il progetto ADONE fu approvato nel 1964 e Touschek volse la sua attenzione alla nuova macchina preoccupandosi sia del suo funzionamento sia dell’estrazione dei risultati di fisica dai dati sperimentali, creando il gruppo teorico dei Laboratori nazionali di Frascati per lo studio dei processi radiativi. Alla fine degli anni Sessanta ADONE fu completato e iniziarono gli esperimenti, che, in concomitanza con i risultati degli altri anelli di accumulazione materia e antimateria, quali ACO in Francia, VEPP-2 in Unione Sovietica e SPEAR negli Stati Uniti, aprirono ai fisici il mondo delle interazioni forti, responsabili del legame tra i quark, particelle che assieme agli elettroni costituiscono i mattoni fondamentali della materia.

Fra il 1971 e il 1974 la predizione di Touschek che le collisioni elettrone-positrone avrebbero permesso di trovare nuovi stati della materia trovò la sua conferma. Nel 1971 fu misurato ad ADONE un eccesso di produzione di particelle rispetto alle aspettative teoriche e, nel novembre del 1974, in due diversi esperimenti negli Stati Uniti, uno dei quali impiegava l’anello SPEAR, fu scoperta la J/Psi, una particella costituita da un nuovo tipo di quark, rapidamente confermata anche ad ADONE. Nei mesi successivi il gruppo teorico di Frascati, stimolato da Touschek, fu in grado di estrarre dai dati sperimentali una misura estremamente precisa della vita media della nuova particella, utilizzando le tecniche di risommazione della radiazione elettromagnetica da lui sviluppate appositamente per gli esperimenti ad ADONE.

Dopo il lancio di ADONE Touschek tornò a dare importanti contributi alla fisica teorica, fra cui il libro Meccanica statistica (Touschek - Rossi, 1970). Nel 1973 era diventato professore straordinario di metodi matematici della fisica, essendo cambiata la legge che impediva ai cittadini stranieri l’accesso ai concorsi universitari. Veniva così riconosciuto l’altissimo valore dell’insegnamento svolto da Touschek fin dal suo arrivo a Roma. Allo stesso tempo, il contributo da lui dato alla fisica delle particelle elementari fu giustamente riconosciuto dall’Accademia dei Lincei che lo nominò membro straniero nel 1972.

Gli studi successivi alla scoperta della J/Psi confermarono definitivamente la superiorità dei collisionatori rispetto agli acceleratori tradizionali in cui un fascio di particelle veniva accelerato fino a colpire un bersaglio fisso. A seguito di ciò il CERN mise in cantiere la costruzione del LEP, un anello per elettroni e positroni che sarebbe entrato in funzione nel 1989, con un’energia quattrocento volte maggiore di quella in AdA e una circonferenza di 27 km, settemila volte più grande di AdA.

Nell’ottobre del 1977 Touschek si recò a Ginevra come visiting scientist presso il CERN, dove erano in corso anche studi relativi a un nuovo progetto per un collisionatore a protoni e antiprotoni, il Super antiproton-proton synchrotron. Si apriva una nuova era, con grandi scoperte rese possibili da acceleratori che avrebbero utilizzato il principio di fasci di particelle che si scontrano, ultimo di essi il Large hadron collider del CERN, in una filiera il cui primo passaggio è stata la macchina pensata e realizzata da Touschek. Purtroppo Touschek, già molto malato al suo arrivo al CERN, non fu in grado di assistere all’avvento di questa nuova era.

Morì il 25 maggio 1978, all’età di cinquantotto anni, nell’ospedale di Innsbruck, in Austria, dove lo aveva portato poche settimane prima un’automobile del CERN.

Fonti e Bibl.: Roma, Università La Sapienza, Archivio Edoardo Amaldi, fondo Bruno Touschek.

W.E. Thirring - B. Touschek, A covariant formulation of the Bloch-Nordsieck method, in Philosophical Magazine, XLII (1951), pp. 244-249; B. Touschek, Parity conservation and the mass of the neutrino, in Il Nuovo Cimento, 1957, vol. 5, n. 3, pp. 754 s.; M. Cini - B. Touschek, The relativistic limit of the theory of spin 1/2 particles, ibid., 1958, vol. 7, n. 3, pp. 422 s.; C. Bernardini et al., Lifetime and beamsize in a storage ring, in Physical Review Letters, 1963, vol. 10, n. 9, p. 407; Idd., Measurements of the rate of interaction between stored electrons and positrons, in Il Nuovo Cimento, 1964, vol. 34, n. 6, pp. 1473-1493; B. Touschek - G. Rossi, Meccanica statistica, Torino 1970; E. Amaldi, The B. T. legacy (Vienna 1921 - Innsbruck 1978), Geneva 1981; C. Bernardini, AdA: the first electron-positron collider, in Physics in perspective, 2004, vol. 6, n. 2, pp. 156-183; L. Bonolis, B. T. vs machine builders: AdA, the first matter-antimatter collider, in La Rivista del Nuovo Cimento, 2005, n. 11, pp. 1-60; 1987 B. T. Memorial Lectures, a cura di M. Greco - G. Pancheri, in Frascati Physics Series, 2005, vol. 33; L. Bonolis - G. Pancheri, B. T.: particle physicist and father of the e⁺e^- collider, in European Physical Journal H, 2011, vol. 36, n. 1, pp. 1-61.