Fermi, le ricerche oltreoceano

L’attività scientifica di Enrico Fermi negli Stati Uniti può essere divisa in due periodi. Il primo va dal 1939 al 1945 e coincide con gli anni della guerra, in cui la ricerca di Fermi, così come di gran parte della comunità scientifica americana, è volta alla fisica nucleare. I risultati di questo enorme sforzo sfoceranno nella prima reazione a catena (dicembre 1942) e nella realizzazione della prima bomba atomica (luglio 1945). Il secondo periodo va dall’inizio del 1946, allorché Fermi lascia il laboratorio di Los Alamos nel New Mexico, dove la prima bomba atomica era stata prodotta e sperimentata, e torna a Chicago, dove svolgerà la sua attività sino alla morte, avvenuta nel 1954. In questa seconda fase Fermi si dedica alla nascente fisica delle particelle elementari e alla fisica teorica. Organizza un’eccezionale scuola di fisica, in cui profonde tutte le sue energie, e dalla quale usciranno celebri scienziati e vari premi Nobel. Le realizzazioni del Fermi americano ebbero un’enorme influenza sulla fisica della seconda metà del Novecento. Prima della Seconda Guerra Mondiale, e soprattutto prima dell’avvento al potere di Hitler nel 1933, il baricentro della fisica mondiale era in Europa ed europei erano i maggiori centri di ricerca. L’occasione più importante per gli scambi di idee erano i Congressi Solvay, che si svolgevano ogni tre anni. L’ultimo Congresso Solvay prima della guerra ebbe luogo nel 1933 a Bruxelles, e vi partecipò un solo scienziato americano: Ernest O. Lawrence.

Nel giro di pochi anni questa situazione mutò radicalmente. Tra il 1933 e il 1941 più di cento fisici, in maggioranza ebrei, lasciarono la Germania, l’Austria, l’Italia, l’Ungheria e altri Paesi europei per recarsi negli Stati Uniti onde sfuggire alle persecuzioni razziali e alle nere nubi che la politica di Hitler e Mussolini andava addensando sull’Europa. Tra di essi c’erano scienziati del calibro di Hans Bethe, Johann Von Neumann, Edward Teller, Eugene Wigner. Questa massiccia emigrazione contribuì a cambiare le sorti della fisica, spostandone il baricentro dall’Europa agli Stati Uniti, e contribuì a influenzare le sorti della guerra, ad esempio, con l’invenzione della bomba atomica. Enrico Fermi era tra questi fisici. Laura Capon, sua moglie, era ebrea e quindi soggetta alla campagna antisemita cominciata in Italia nell’estate del 1938. In quel periodo, già da tempo Fermi guardava agli Stati Uniti, dove si era recato varie volte a partire dal 1930, come al luogo dove avrebbe potuto svolgere ricerche con quella dovizia di mezzi che in Italia non poteva avere. La promulgazione delle leggi razziali, nel settembre del 1938, spinse i Fermi a prendere la decisione di emigrare.

Fermi lasciò Roma in treno con la famiglia la sera del 6 dicembre 1938 diretto a Stoccolma, dove il 10 venne insignito del premio Nobel per la fisica per l’anno 1938. Da lì, senza più tornare in Italia, i Fermi fecero rotta verso gli Stati Uniti, e giunsero il 2 gennaio 1939 a New York, dove Fermi aveva accettato un posto di professore alla Columbia University. Il giorno stesso del suo arrivo Fermi fece domanda di naturalizzazione e l’11 luglio 1944 divenne cittadino americano. Grandi cambiamenti stavano per affacciarsi sulla scena della fisica. Due settimane dopo l’arrivo di Fermi anche il grande fisico danese Niels Bohr giunse a New York portando la notizia della scoperta della fissione dell’uranio, a seguito degli esperimenti dei chimici tedeschi Otto Hahn e Fritz Strassmann, e in base all’interpretazione che i fisici Otto Frisch e Lise Meitner (che era stata collega di Hahn e Strassman fino a poco tempo prima, e aveva dovuto fuggire all’estero per motivi razziali) avevano dato dei loro risultati. Questa scoperta era stata alla portata del gruppo Fermi, nei celebri esperimenti condotti fin dal 1934 a Roma sulla radioattività artificiale provocata dal bombardamento con neutroni. Essa era però sempre sfuggita sia per insufficienti conoscenze di chimica, necessarie per analizzare correttamente i prodotti di reazione, sia per circostanze fortuite. Ora che la scoperta era finalmente venuta alla luce, Fermi fu tra i primi a rendersi conto delle sue conseguenze. L’importanza della fissione stava nell’enorme quantità di energia associata a ogni singola rottura del nucleo dell’atomo di uranio indotta dal bombardamento con neutroni. Fermi fu tra i primi a ipotizzare che nell’atto di fissione di un nucleo provocata da un neutrone avrebbero potuto essere emessi altri neutroni; se questi fossero stati in numero sufficiente e fossero a loro volta stati capaci di provocare degli atti di fissione, si sarebbe potuto avere una “reazione a catena”, ovvero una reazione autosostenuta e che, se controllata, sarebbe stata fonte di enormi quantità di energia, sfruttabile per scopi pacifici. Se la reazione fosse invece avvenuta senza controllo, avrebbe potuto dar luogo a un’esplosione di potenza mai vista prima. In entrambi i casi si trattava d’una materia di enorme interesse, e Fermi si trovava in una posizione privilegiata per indagarla a fondo, data la sua esperienza con i neutroni che considerava, come ebbe a dire in seguito “un po’ i miei parenti”. Con il suo gruppo di giovani collaboratori (tra i quali spicca Herbert L. Anderson, che diverrà poi suo amico) e con la collaborazione non priva di contrasti del fisico ungherese Leo Szilard, Fermi giunse, tra il 1939 e il 1941, a padroneggiare completamente il fenomeno di fissione e a valutare la fattibilità di una reazione a catena facente impiego di uranio naturale.

Egli dapprima trova che nella fissione indotta da neutroni si producono effettivamente più neutroni di quelli consumati; il surplus è però molto piccolo, e dipende fortemente dalla geometria dell’apparato, dalla purezza dell’uranio e dalla sostanza usata come “moderatore”. Quest’ultima serve per rallentare i neutroni, riducendone cioè la velocità a valori tali da massimizzare la probabilità di fissione una volta che il neutrone “lento” sia stato catturato dal nucleo di uranio. L’enorme aumento di radioattività artificiale causata dal bombardamento con neutroni rallentati dal passaggio attraverso una sostanza idrogenata come l’acqua o la paraffina era stato l’elemento cruciale della scoperta che Fermi aveva compiuto nell’ottobre del 1934 e che lo aveva portato al Nobel quattro anni dopo. Da un punto di vista fisico ciò si spiega col fatto che i neutroni lenti interagiscono per più tempo, rispetto a quelli veloci, col nucleo, e hanno quindi più probabilità di causarne la rottura. Lo strumento teorico disponibile a quell’epoca per studiare fenomeni del genere era il modello del nucleo composto, proposto da Bohr fin dalla metà degli anni ‘30, ma elaborato dallo stesso Bohr e dal fisico americano John Wheeler nel 1939. Secondo tale modello, le reazioni nucleari dovevano essere trattate come un processo in due fasi. Nella prima il proiettile in arrivo (ad esempio un neutrone) si unisce al nucleo bombardato, formando il nucleo composto. Nella seconda il nucleo composto torna a uno stato stabile decadendo in numerosi modi. Un punto importante è che la formazione del nucleo composto e la sua successiva rottura sono eventi ben separati nel tempo (rispetto alla scala dei tempi dei processi nucleari), cosicché, quando si rompe, il nucleo composto ha perso ogni “memoria” di come si è formato. Nell’incontro tra una particella e un nucleo l’eccesso di energia della particella incidente si dividerà tra tutte le particelle nucleari cosicché nessuna di esse avrà energia sufficiente per lasciare il nucleo. L’unica possibilità di una rottura è data da una fluttuazione, relativamente rara, in cui una singola particella viene ad avere gran parte dell’energia in eccesso.

Nel corso delle sue ricerche, Fermi si rende conto che, come moderatore, l’acqua non va bene, in quanto assorbe troppi neutroni. Nell’estate del 1939 lui e Szilard giungono indipendentemente a rendersi conto che il carbonio, sotto forma di grafite, ha migliori possibilità di riuscita. Per dimostrarlo occorrono però notevoli quantità di grafite e la grafite costa. Giungono a tal punto utilissime le capacità di Szilard di intessere rapporti “politici” al di fuori della ristretta cerchia dei fisici. Szilard compone il testo d’una lettera per il presidente americano Roosevelt, nella quale lo informa delle potenzialità delle ricerche che lui e Fermi stanno svolgendo alla Columbia e riesce a convincere Einstein – il massimo fisico vivente, dal 1933 riparato a Princeton – ad apporvi la sua prestigiosa firma. La lettera di Einstein, unitamente a ulteriori pressioni, riesce a far avere ai fisici della Columbia il finanziamento necessario all’acquisto del primo grosso quantitativo di grafite che giunge alla Columbia nei primi mesi del 1940. A partire più o meno da quest’epoca i lavori dei vari gruppi che sono all’opera su questo argomento cessano di apparire nelle riviste scientifiche: la guerra in corso e le possibilità di impiego militare di queste ricerche consigliano la segretezza, che Fermi è costretto ad accettare, sia pure a malincuore.

In quell’epoca riceve conferma sperimentale un’importante intuizione di Bohr: la fissione da neutroni lenti è provocata dall’isotopo U235 dell’uranio, avente cioè 92 protoni, come l’U238, ma numero di massa (cioè il numero che dà la somma di protoni e neutroni presenti nel nucleo) pari a 235. Esso costituisce solo lo 0,7% della massa dell’uranio naturale e ciò rende molto difficile innescare una reazione a catena usando questa strada. Fermi è tuttavia certo di riuscire. Si è già reso conto, assieme a Szilard, che si ha una resa migliore concentrando l’uranio in sferette o piccoli blocchi all’interno della massa di grafite. Per tutto il 1940 e il 1941 proseguono gli esperimenti alla Columbia; di quell’epoca il contributo teorico più importante di Fermi è la “teoria dell’età” (“age theory”) dei neutroni, in base alla quale egli è in grado di conoscere punto per punto le proprietà del flusso di neutroni all’interno del sistema costituito dall’uranio e dalla grafite. Grandezza fondamentale di tale teoria è il “fattore di riproduzione” k, ovvero il numero medio di neutroni prodotti negli atti di fissione dovuti a una data “generazione” di neutroni, ovvero all’insieme di neutroni presenti a un dato istante. Si può avere una reazione a catena solo se k è maggiore di 1. In tal caso, basta aumentare le dimensioni della struttura uranio-grafite per raggiungere le condizioni di criticità. La stima di k in una struttura sub-critica è possibile attraverso il cosiddetto “esperimento esponenziale”, di cui la teoria di Fermi fornisce i fondamenti. Quella che Fermi sviluppa è una teoria semplice, elegante, profondamente radicata nei lavori e nelle idee degli anni italiani e con un immediato e diretto legame con la realtà sperimentale, caratteristica peculiare del suo modo di fare fisica, anche quando si cimentava con la teoria. Nell’estate del 1941 viene eseguito il primo esperimento esponenziale su un sistema uranio-grafite di dimensioni rilevanti. Il risultato non è esaltante (k=0,87), ma si ha una base sulla quale lavorare: riduzione delle impurità, miglioramento della disposizione dell’uranio nella grafite, e così via.

L’infuriare della guerra determina un interesse sempre maggiore del governo nelle ricerche dei fisici nucleari. Fin dall’ottobre 1939 era stato creato un “Comitato per l’Uranio”, e il progetto era stato in seguito riorganizzato più volte. Il 7 dicembre 1941 il proditorio attacco giapponese a Pearl Harbor determinò l’ingresso degli Stati Uniti nel conflitto mondiale. Ma già il giorno prima, il 6 dicembre, il presidente Roosevelt aveva ordinato il massimo sforzo (“all out effort”) verso la produzione d’un ordigno nucleare. Questo scopo si poteva raggiungere attraverso due strade. La prima consisteva nel separare chimicamente L’U235 dall’U238 e nel preparare uranio “arricchito” in U235, contenente cioè una frazione di questo isotopo maggiore di quella che si trova in natura. L’altra strada, in cui il ruolo di Fermi si rivelò cruciale, prevedeva l’uso di un altro esplosivo nucleare: il plutonio. Nell’estate del 1940 a Berkeley era stato prodotto il primo elemento transuranico, il nettunio (Np239). Esso risultava dalla cattura di un neutrone da parte dell’U238, che diviene così U239 e decade con un tempo di dimezzamento pari a 23 minuti formando, appunto, il nettunio. A sua volta, il nettunio decade, con un tempo di dimezzamento pari a 2,3 giorni, in un elemento di numero atomico 94 e numero di massa 239: il plutonio (Pu239). In base a considerazioni teoriche, era probabile che questo elemento desse luogo a fissione, se bombardato con neutroni lenti. Se, allora, si fosse potuta realizzare una reazione a catena facente uso di uranio naturale, si sarebbe accumulata nel reattore anche una certa quantità di Pu239, che avrebbe potuto essere separato chimicamente dall’uranio del reattore ed usato come esplosivo nucleare. Nel dicembre del 1940 Emilio Segrè (uno dei”ragazzi di via Panisperna, emigrato a Berkeley fin dal 1938) e Fermi discutono a lungo l’ipotesi di realizzare, utilizzando il ciclotrone di Berkeley, una quantità di Pu239 sufficiente a studiarne le proprietà fisiche.

Ben presto apparve chiaro che non solo il Pu239 era fissionabile, ma aveva una vita media molto lunga, cosa che ne avrebbe consentito la separazione e l’accumulo. Il progetto di Fermi di realizzare una reazione a catena con uranio naturale divenne perciò fondamentale e il grande fisico americano Arthur H. Compton, che nel frattempo era divenuto responsabile del lavoro relativo alla reazione a catena, decise di trasferire il progetto a Chicago, presso la sua università. Nella primavera del 1942, Fermi e il suo gruppo si trasferirono a Chicago, per continuare il lavoro sulla reazione a catena. Man mano che i mesi passavano l’attività divenne sempre più concitata e febbrile. Nuove partite di uranio e grafite arrivavano in continuazione, e il compito del gruppo era misurarne le caratteristiche e il grado di purezza e valutare la quantità di materiale necessaria per una reazione a catena. Oltre trenta esperimenti esponenziali furono realizzati nell’estate. I dati di ogni esperimento venivano portati a Fermi il quale, in poche ore, era in grado di calcolare il valore di k ottenuto. Fermi era dappertutto, sovrintendendo alle attività del gruppo e insegnando ai giovani la teoria della reazione a catena. Come ricorda Albert Wattenberg, suo collaboratore sin dai tempi della Columbia “la chiarezza e la logica con cui Fermi presentava gli argomenti rendevano le sue lezioni molto facili da seguire. Riduceva al minimo le dimostrazioni e gli argomenti che potevano far deviare il flusso del ragionamento. Sapeva ciò che era importante e ciò che poteva venire trascurato, utilizzando brevi argomenti di plausibilità che erano molto convincenti”.

Nel giugno 1942 gli esperimenti rivelarono i primi valori di k maggiori di 1. Si valutò che nel giro di pochi mesi i quantitativi di uranio e grafite che continuavano ad arrivare sarebbero stati sufficienti ad assemblare una struttura critica e in effetti nel novembre se ne cominciò l’assemblaggio, sotto l’attenta direzione di Fermi. Questi calcolò che la struttura (“pila” dall’inglese “pile”, catasta) sarebbe divenuta critica col 57° strato di uranio e grafite. E il 57° strato fu posato il 2 dicembre 1942. Di fronte ad alcune decine di spettatori Fermi condusse la fase finale dell’esperimento ordinando di togliere a poco a poco dalla pila le barre rivestite di cadmio (un potente assorbitore di neutroni) usate per tenere il flusso di neutroni sotto il livello di criticità. Man mano che le barre venivano estratte Fermi misurava il flusso di neutroni e lo confrontava con i suoi calcoli. A questo punto facciamo parlare uno dei presenti, l’allievo e amico Herbert L. Anderson: “Da principio si sentiva il suono del contatore di neutroni, clickety-click, clickety-click. Poi i click divennero sempre più rapidi, e dopo un po’ cominciarono a fondersi in una specie di ruggito; il contatore non riusciva più a seguire i neutroni. Quando il passaggio [al registratore grafico] fu effettuato, tutti guardarono, nel silenzio improvviso, la deflessione ascendente del pennino. Quel silenzio era impressionante. Ognuno si rendeva conto del significato di quel passaggio; eravamo in regime di alta intensità e i contatori non erano più in grado di far fronte alla situazione. La scala del registratore dovette essere cambiata più volte per adattarla all’intensità neutronica che cresceva sempre più rapidamente. Improvvisamente Fermi alzò una mano: “La pila è critica” annunciò. Nessuno dei presenti aveva il minimo dubbio in proposito”. La pila era stata montata in un campo di squash sotto la tribuna ovest dello Stagg Field, uno stadio in disuso, che in seguito venne demolito. Oggi l’area è un sito d’importanza storica e un monumento ricorda l’accaduto. Di fronte al monumento è murata una targa che recita: “il 2 dicembre 1942 l’uomo raggiunse qui la prima reazione a catena auto-sostenuta dando così inizio al rilascio controllato di energia nucleare”.

La prima reazione a catena fu un eccezionale punto d’arrivo ma anche uno stimolante punto di partenza. Per le ricerche di fisica, che Fermi prediligeva, la pila era un’eccezionale fonte di neutroni, docile e potente. Fermi compì numerose investigazioni sulla dipendenza della reazione a catena da fattori quali temperatura e pressione e sulla realizzazione di una protezione efficace contro le radiazioni. Pochi mesi dopo gli eventi del dicembre 1942 la pila venne trasferita al laboratorio delle Argonne, a un’ora di macchina da Chicago, dove anche le successive pile vennero costruite. Fermi continuò le sue ricerche, compiendo tra l’altro le prime scoperte relative al fenomeno della diffrazione che i neutroni, se dotati di appropriata velocità, subiscono nel passare attraverso solidi cristallini. Questo settore, denominato “ottica neutronica”, avrebbe avuto un grande impulso dopo la guerra. Ma la pila costituiva anche il primo strumento mediante il quale, se realizzato su scala più grande, si sarebbe potuto produrre plutonio da utilizzare per scopi militari. La grande industria, la super-organizzazione, lo stretto controllo militare fecero irruzione sulla scena, e gli anni 1943-1944 furono dedicati da Fermi a sostenere l’immane sforzo che portò alla creazione dell’impianto di produzione di plutonio di Hanford (stato di Washington). Insieme al suo gruppo si occupò inoltre di studiare a fondo le proprietà fisiche del plutonio, onde comprenderne l’utilizzabilità come esplosivo nucleare.

Nella primavera del 1943 Fermi si recò per la prima volta in un luogo denominato “Sito Y” per motivi di segretezza. Si trattava del laboratorio di Los Alamos, situato su un altopiano nel deserto del New Mexico, dove il fisico Julius Robert Oppenheimer aveva ricevuto l’incarico di radunare i migliori scienziati nucleari e di costruire i laboratori necessari per lo studio e la produzione delle prime bombe atomiche. Tra il 1943 e il 1944 Fermi si recò al “Sito Y” sempre più spesso, e vi si stabilì definitivamente nell’autunno del 1944, dopo aver contribuito all’avviamento dell’impianto di Hanford. A Los Alamos Fermi venne nominato da Oppenheimer “Direttore Aggiunto” del laboratorio, e venne creata una nuova divisione, detta “Divisione F” (da “Fermi”), che venne posta sotto la sua giurisdizione. Essa conteneva quattro gruppi, che si occupavano di questioni di vario tipo. Più in generale, però, per citare Segrè, “Il compito più importante espletato da Fermi era […] quello di consigliare tutti i bisognosi […] [Fermi] funzionava come una specie di oracolo, a cui ogni fisico con problemi difficili poteva rivolgersi e spesso ricevere valido aiuto”. Le questioni erano di tutti i generi e spaziavano dall’idrodinamica all’elettronica e alla fisica nucleare. Fermi, che aveva sempre avuto grande interesse per il calcolo numerico, si occupò inoltre con entusiasmo di studiare e far funzionare le macchine calcolatrici in uso colà, grazie anche alla sua amicizia con Johann Von Neumann, il teorico dei moderni computer.

La prima bomba atomica al plutonio venne fatta esplodere nel deserto di Alamogordo, poco lontano da Los Alamos, il 16 luglio 1945 alle 5.30 del mattino. Fermi assisté all’esplosione da una postazione distante circa 14 chilometri. Racconta Segrè, che si trovava con lui: “subito dopo l’esplosione, Fermi si alzò in piedi e fece cadere a terra alcuni pezzetti di carta, come dei coriandoli. Aveva preparato un suo semplice esperimento per misurare l’energia sviluppata dall’esplosione. I pezzi di carta sarebbero caduti verticalmente nell’aria quieta, ma all’arrivo dell’onda d’urto (alcuni secondi dopo la luce) invece di cadere verticalmente si sarebbero spostati di alcuni centimetri [in realtà si trattò d’uno spostamento assai maggiore, di ben due metri e mezzo, come lo stesso Fermi ricordò in seguito] nella direzione di propagazione dell’onda. Dalla distanza della sorgente e dalla grandezza di questo spostamento si può calcolare l’energia dell’esplosione. Fermi si era già preparato una tavola col risultato di questo calcolo in modo che questa misura grossolana ma semplice, poté dare immediatamente una valutazione dell’energia liberata nell’esplosione […] Il risultato ottenuto si dimostrò una buona approssimazione della misura finale ottenuta con mezzi assai più elaborati e complessi”. Questo aneddoto è caratteristico del personaggio e del suo modo di procedere. A Los Alamos Fermi si occupava anche d’un piccolo reattore funzionante con un sale di U235 in acqua comune. Fu il suo piccolo progetto personale e nel laboratorio del reattore, chiamato Omega, si ritirava per lunghe ore, facendo esperimenti e calcoli. Walter Zinn, suo collaboratore, lo ricorda così: “Lo vidi solo una volta, durante la guerra, in una visita a Los Alamos. Mi recai nel suo laboratorio e la situazione sembrava normale. C’era una pila, il “water boiler” [il reattore a uranio e acqua]. Fermi sedeva a un tavolo sul quale gli apparecchi che registravano i segnali dei contatori facevano il loro solito rumore. Una matita era tra le sue labbra e il regolo calcolatore nelle sue mani. Un altro esperimento era in corso”. Il 6 e il 9 agosto due bombe atomiche furono sganciate sulle città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki. Il 15 agosto il Giappone si arrese. La Seconda Guerra Mondiale era finita.

Con la fine della guerra, per gli scienziati di Los Alamos si ponevano i problemi di dove andare e che cosa fare. Dopo qualche incertezza, Fermi risolse il primo accettando l’offerta di tornare a Chicago per lavorare al costituendo “Institute for Nuclear Studies”. Il secondo non era in realtà un problema. Da tempo Fermi voleva dedicarsi allo studio delle forze nucleari, che allora era il problema di frontiera in fisica. Alla fine del 1945, quando lasciò Los Alamos per tornare a Chicago, Fermi aveva 44 anni ed era il più grande esperto di neutroni al mondo. Con la sua fama e la sua esperienza avrebbe potuto tranquillamente “vivere di rendita” in questo ruolo. Ciò tuttavia non era nelle sue corde, e negli ultimi mesi di Los Alamos riandò forse con la memoria ai giorni più lontani, all’inizio degli anni ‘30, allorché aveva deciso di rivolgersi al più acerbo e promettente settore della fisica nucleare abbandonando la fisica atomica, divenuta ormai stabile con l’avvento e il consolidamento della meccanica quantistica, nella seconda metà degli anni ‘20. Già nel 1944, quando i programmi nucleari americani si avviavano ormai al successo e la guerra alla sua conclusione, Fermi aveva espresso il desiderio di costruire, a guerra finita, un acceleratore di particelle, per compiere studi sui nuclei. Allorché però i fisici fecero ritorno a Chicago, si trovarono di fronte a “nudi scaffali”, come ebbe a dire Leona Marshall, collaboratrice di Fermi. Nell’attesa che nuovi strumenti e nuove macchine venissero costruite, dal punto di vista sperimentale non restava che continuare il lavoro, iniziato alle Argonne già negli anni di guerra, sulla fisica dei neutroni, sfruttando il reattore come sorgente. Con Leona Marshall ed altri, Fermi fa una serie di lavori eleganti ed efficaci, per mezzo dei quali mostra le potenzialità offerte dai neutroni per investigare la struttura dei solidi cristallini. Egli dà un forte impulso a quella branca della fisica che oggi chiamiamo “ottica neutronica”.

Fermi si dedica però anche ad altre imprese. Come aveva già fatto in Italia e negli anni della Columbia, dopo la parentesi della guerra torna a profondere grandi energie nella creazione a Chicago di una scuola di fisica di prim’ordine. Non appena si sparge la voce che ciò sta avvenendo, da tutti gli Stati Uniti e da altri Paesi giungono studenti desiderosi di studiare con Fermi. Tra questi vanno annoverati decine di fisici importanti, che hanno marcato la storia della fisica di questi ultimi decenni e che comprendono anche vari premi Nobel. Ben presto, però, attorno al 1947, l’attività sperimentale alle Argonne giunge alla fine e Fermi si dedica completamente a seguire gli ultimi sviluppi della fisica teorica, allo scopo di prepararsi agli imminenti sviluppi della fisica sperimentale studiando tutto ciò che c’è da studiare. Lavora perciò sulla fisica dei raggi cosmici, segue da vicino gli importanti sviluppi dell’elettrodinamica quantistica del 1947-49 e affronta anche le teorie fisiche che descrivono il comportamento delle particelle elementari, alle quali ha ben presto occasione di dare un contributo importante. Nel 1934-35 il fisico giapponese Hideki Yukawa aveva avanzato una teoria in cui il portatore delle forze nucleari doveva essere una particella (“mesone”) di massa pari a duecento volte circa la massa dell’elettrone. In effetti, nel 1936-37 gli statunitensi Carl Anderson e Seth Neddermeyer avevano osservato nei raggi cosmici una particella con una massa simile a quella della particella ipotizzata da Yukawa, e nel giugno del 1937 l’ipotesi che la particella osservata fosse proprio il vettore della forza nucleare fu avanzata per la prima volta. Seguirono anni in cui le proprietà fisiche di questa particella, detta “mesotrone”, furono investigate sperimentalmente, cercando, ma con crescenti difficoltà, di ricondurle nel quadro teorico di Yukawa. Nel 1946 l’esperimento dei fisici italiani Marcello Conversi, Ettore Pancini e Oreste Piccioni dimostrò che il comportamento dei mesotroni negativi nell’attraversare la materia era in contrasto con quanto previsto dalla teoria. Edoardo Amaldi, uno dei “ragazzi di via Panisperna” che avevano lavorato con Fermi, ricevette la notizia degli ultimi risultati dell’esperimento mentre era in procinto di ripartire dagli Stati Uniti dopo una lunga visita. Amaldi informò subito Fermi il quale si rese conto dell’importanza dell’avvenimento, del quale elaborò le conseguenze teoriche in due lavori che dimostrarono come la particella di Anderson e Neddermeyer non potesse essere la particella di Yukawa. Nel giugno di quello stesso anno – il 1947 – l’esperimento di Pancini, Conversi e Piccioni ricevette grande attenzione in un’importante conferenza di fisica tenutasi a Shelter Island, vicino New York. Venne ben presto ipotizzato che la particella osservata nei raggi cosmici fosse in realtà il prodotto di decadimento della “vera” particella di Yukawa, il mesone-pi o “pione”, il quale, decadendo, produce un mesone-mu o “muone” ovvero la particella osservata da Anderson e Neddermeyer. Questa teoria del “doppio mesone” ricevette clamorosa conferma sperimentale nel 1947 con la scoperta del decadimento pione-mesone nei raggi cosmici da parte di Cesare M. G. Lattes, Giuseppe (Beppo) Occhialini e Cecil F. Powell. È generalmente ritenuto che l’esperimento di Conversi, Pancini e Piccioni abbia segnato l’inizio della fisica delle alte energie; è interessante sottolineare il ruolo giocato da Fermi nell’introdurlo nella comunità scientifica americana spiegandone le conseguenze teoriche.

Il mondo della fisica uscì trasformato dagli anni della guerra, in particolare a causa dell’ingente sforzo prodotto dagli Stati Uniti in vari settori della ricerca scientifica e tecnologica. Anche la realizzazione della bomba atomica fu un immane impresa di carattere scientifico e industriale, con la produzione degli elementi fissili concentrata in enormi fabbriche come quella di Clinton (Tennessee) e Hanford (Stato di Washington). Nella sola Los Alamos, nel momento del massimo sforzo, lavoravano seimila persone. I bilanci erano cresciuti vertiginosamente: il progetto nucleare costò intorno a tre miliardi di dollari, solo l’1% delle spese di guerra degli Stati Uniti, ma una cifra immane rispetto ai bilanci della ricerca scientifica di quell’epoca. I recenti sviluppi della fisica delle particelle, poi, dimostravano che, per progredire ancora, si doveva passare alla produzione di macchine acceleratrici sempre più potenti e così costose che non potevano più essere appannaggio d’una sola istituzione scientifica, ma dovevano essere condivise tra più università riunite in consorzi che cominciarono quindi a formarsi nell’immediato dopoguerra. Era la nascita della cosiddetta Big Science, che all’inizio mutuò organizzazione e aspetti progettuali dai grandi progetti militari degli anni di guerra. I fisici nucleari che, come Fermi, erano stati la spina dorsale dei programmi militari americani, tornati nelle loro istituzioni accademiche, si rivelarono tenaci sostenitori dello sviluppo della fisica delle alte energie, contribuendovi non solo da un punto di vista scientifico, ma anche organizzativo e politico, impegnandosi in prima persona nelle commissioni delle agenzie governative che avevano l’incarico di valutare e finanziare i vari progetti. Per parte sua, Fermi fu membro del “General Advisory Committee” (GAC) della Atomic Energy Commission (AEC) dal 1947 al 1950. Durante tale periodo, partecipò alle riunioni che si tenevano a Washington con cadenza più o meno bimestrale, ogni volta preparandosi con scrupolo.

Nell’estate del 1949 Fermi tornò in Italia dopo quasi undici anni per prendere parte a un congresso sulla fisica dei raggi cosmici, che si tenne a Como nel settembre. In quell’occasione si riunirono di nuovo una serie di vecchi amici, emigrati o rimasti in Italia; qui Fermi poté conoscere per la prima volta anche i fisici italiani delle nuove leve. Nell’ottobre, dopo la conferenza di Como, Fermi tenne una serie di lezioni a Roma e a Milano nelle quali presentò i risultati raggiunti in una serie di importanti temi di ricerca in fisica. In una celebre riunione dell’ottobre 1949 il GAC si pronunciò contro l’avanzamento del programma relativo alla costruzione d’una bomba termonucleare (bomba all’idrogeno o bomba H). Pochi mesi dopo, tuttavia, allorché si sparse la notizia che il fisico di origine tedesca Klaus Fuchs, che aveva lavorato a Los Alamos, aveva passato informazioni militari riservate all’Unione Sovietica, il presidente Truman decise di intraprendere un massiccio sforzo verso tale obiettivo, che gli Stati Uniti raggiunsero nel novembre del 1952, quando la prima bomba all’idrogeno fu fatta esplodere nell’atollo di Eniwetok, nell’Oceano Pacifico. Nel frattempo, l’Unione Sovietica aveva fatto esplodere la sua prima bomba a fissione nel settembre 1949 e avrebbe anch’essa raggiunto l’obiettivo della prima esplosione termonucleare nel 1955. La corsa agli armamenti, che avrebbe caratterizzato gran parte della seconda metà del Novecento, era così cominciata. Tornando al mondo della ricerca, occorre dire che quello tra gli anni ‘40 e i ‘50 è un periodo molto difficile per la ricerca teorica in fisica, che si trova a dover fare fronte a una serie di osservazioni di nuove particelle che si possono includere con molta difficoltà – o non si lasciano includere affatto – in uno schema teorico. In questo quadro, col pragmatismo che lo contraddistingueva, Fermi elaborò tra il 1950 e il 1951 una teoria statistica per descrivere la probabilità di produzione di mesoni-pi o “pioni” nell’urto tra due nucleoni (con questo nome si indicano protoni e neutroni). La sua teoria statistica dava solo una descrizione approssimata degli eventi, ma in un momento in cui teorie più complesse non fornivano molto di più era comunque una guida semplice e accessibile.

Nell’estate del 1949, insieme al suo allievo Chen Ning Yang, Fermi pubblicò un breve articolo nel quale gli autori si ponevano la questione se i mesoni-pi fossero delle “vere” particelle elementari o se risultassero a loro volta dall’unione di particelle componenti. Si trattava d’una questione assai profonda, che avrebbe caratterizzato gli studi teorici per molti anni a venire, sino a giungere al cosiddetto “Modello Standard”, sul quale sono basate le ipotesi attuali sulla struttura della materia, e al concetto di quark. Finalmente anche il ciclotrone dell’Università di Chicago venne ultimato e, nel settembre del 1951 venne inaugurato con un importante convegno di fisica delle particelle, al quale parteciparono oltre duecento persone. Fermi tenne una relazione nella quale cominciò con l’elenco delle “particelle fondamentali” allora conosciute o delle quali l’esistenza era generalmente accettata, dichiarandosi tuttavia contrario a considerarle “elementari”, posto che le scoperte sperimentali che continuavano a susseguirsi mettevano sempre più in dubbio che ci si stesse avvicinando a trovare i costituenti ultimi della materia. Al principio dell’autunno del 1951 Fermi e il suo gruppo cominciarono una sistematica investigazione sperimentale sulla natura dei processi nucleari, studiando gli effetti dell’interazione di un fascio di mesoni-pi, prodotti col ciclotrone, contro dei protoni (nuclei di idrogeno). Di colpo, emersero delle proprietà sorprendenti che, da una parte, permisero di fare subito giustizia di alcune delle teorie mesoniche e dall’altra indussero a ritenere che il concetto di isospin avrebbe potuto recitare un ruolo di primo piano nella descrizione dei fenomeni nucleari. Il concetto di isospin (o “spin isotopico”) era stato introdotto dal fisico tedesco Heisenberg nel 1932, poco dopo la scoperta del neutrone. Esso traeva origine dall’ipotesi secondo la quale neutrone e protone non sarebbero altro che i due stati di una stessa particella – il nucleone – che differivano, appunto, per i valori di isospin ad essi associati. Le ricerche di Fermi portarono a comprendere che nelle interazioni nucleari l’isospin si conserva e dettero consistenti indicazioni – anche se la conferma definitiva giunse solo poco dopo la morte di Fermi – dell’esistenza della prima “risonanza” pione-nucleone. Una risonanza può essere prodotta dall’urto di un pione e di un nucleone ed è uno stato eccitato di quest’ultimo, che ha delle proprietà ben definite e va a tutti gli effetti considerato come una vera e propria particella, pur se con una vita media molto breve. L’esistenza delle risonanze fu un importante progresso concettuale, che spianò la strada alla comprensione del fatto che anche le particelle considerate “elementari” – come il protone e il neutrone – erano dotate di struttura interna e, in ultima analisi, al concetto di quark, che sarebbe stato proposto all’inizio degli anni ‘60.

Per elaborare i dati provenienti dagli esperimenti col ciclotrone, Fermi fece stabilmente uso del computer messo a punto in quel periodo a Los Alamos. Il MANIAC (questo era il nome della macchina) funzionò egregiamente nelle mani del fisico americano Nicholas Metropolis e dello stesso Fermi, che imparò a programmarlo e lo utilizzò nei periodi trascorsi a Los Alamos durante le estati del 1952 e del 1953. Quella della risonanza pione-nucleone fu l’ultima grande scoperta sperimentale di Fermi, anche se egli non visse abbastanza a lungo da vederla confermata. Negli ultimi due anni di vita si occupò ancora di raggi cosmici, e fu il primo non-astronomo professionista a essere invitato dall’American Astronomical Society a tenere un’importante conferenza – la cosiddetta “Henry Norris Lecture” – nell’agosto del 1953. Si interessò ancora agli sviluppi più recenti della teoria delle particelle fondamentali e scrisse un importante lavoro insieme al matematico polacco Stanislav Ulam sulla teoria dei sistemi non-lineari, investigati servendosi ancora del computer di Los Alamos. Nel 1954 Fermi si recò in Europa dove tenne dei corsi, molto apprezzati, alle scuole estive di Les Houches in Francia e di Varenna in Italia. Durante il viaggio cominciò a soffrire seriamente per i disturbi di quella che al suo ritorno a Chicago si rivelò una malattia incurabile. Morì nella sua casa di Chicago domenica 28 novembre 1954, all’età di 53 anni. L’influenza di Fermi sulla fisica moderna è stata enorme, e riguarda numerose aree fondamentali della ricerca teorica e sperimentale. I suoi allievi sono stati tra i protagonisti della fisica di questi ultimi decenni. Il suo nome sopravvive in istituzioni scientifiche di primo piano. Ricordandone la vitalità, l’energia e la passione per la didattica e la ricerca, il grande fisico Murray Gell-Mann ebbe a dire che Fermi “era il mesone che teneva insieme l’Istituto [l’Institute for Nuclear Studies]”. Oggi quell’istituto si chiama “Enrico Fermi Institute”, così come il “National Accelerator Laboratory” di Batavia (Illinois), i cui piani partirono già negli anni Sessanta, è divenuto nel 1974 il “Fermi National Accelerator Laboratory” o, più brevemente, “Fermilab”.

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