L’INFN ha quattro Laboratori Nazionali di ricerca che ospitano grandi apparecchiature e infrastrutture messe a disposizione della comunità scientifica nazionale e internazionale. Sono i Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) nel Lazio, i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Abruzzo, i Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) in Veneto, e i Laboratori Nazionali del Sud (LNS), in Sicilia.
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Fondati nel 1955, i Laboratori Nazionali di Frascati sono la prima infrastruttura di ricerca italiana per lo studio della fisica nucleare e subnucleare con macchine acceleratrici. Questa attività iniziò nel ’57 con l’elettrosincrotrone da 1,1 GeV, la macchina più potente dell’epoca e proseguì con AdA, il primo collisore materia-antimateria al mondo. Lo studio della fisica delle collisioni elettrone-positrone iniziò nel ’69 con l’acceleratore ADONE. Nel ’99 entrò in funzione DAFNE, un acceleratore ad anello progettato per produrre collisioni tra elettroni e positroni e studiare la particella Φ (phi, che decade in K, kaoni) e indagare l’asimmetria tra materia e antimateria. L’innovativo schema di collisione crab-waist, realizzato a DAFNE per aumentare la luminosità, è stato adottato in diversi successivi acceleratori e al CERN in Hi-Lumi LHC.
SIDDHARTA2, l’esperimento oggi in funzione a DAFNE, studia le caratteristiche degli atomi esotici. Nel complesso di DAFNE è presente la linea Beam Test Facility (BTF), che fornisce fasci di positroni/elettroni per la ricerca fondamentale e applicata. L’esperimento PADME esplora l’esistenza di una quinta forza mediata dal cosiddetto fotone oscuro e connessa con la materia oscura.
Ai LNF si trova l’infrastruttura SPARC_LAB, composta da un acceleratore lineare (SPARC) e un potente laser (FLAME), dove si realizzano sorgenti di radiazione innovative e si sperimentano nuove tecniche di accelerazione. Sono presenti, inoltre, diversi laboratori dedicati alla ricerca tecnologica e applicata.
EUPRAXIA è il progetto futuro per lo sviluppo di nuovi acceleratori ultracompatti basati sull’accelerazione al plasma per applicazioni industriali, medicali e per la ricerca fondamentale. Il progetto è stato inserito nel 2021 nella roadmap di ESFRI, lo European Strategy Forum on Research Infrastructure, e il Governo italiano ha garantito un finanziamento per oltre 100 milioni di euro per la sua realizzazione.
I LNF, che sono situati vicino a Roma nella zona del comune di Frascati che accoglie centri di ricerca di eccellenza, tra cui ENEA, ESA-Esrin e CNR, partecipano a progetti nazionali e internazionali con altri enti di ricerca, università e imprese. Da sempre i LNF, che oggi contano un personale di circa 500 unità, promuovono la diffusione della cultura scientifica con attività per le scuole e il vasto pubblico.
Istituiti nel 1976, a Catania, i Laboratori Nazionali del Sud costituiscono un polo avanzato e riconosciuto a livello internazionale. Le attività sono principalmente orientate alla fisica nucleare, all’astrofisica nucleare e particellare, alle applicazioni della fisica nucleare in medicina e al patrimonio culturale, alla ricerca ambientale ed energetica, allo sviluppo di sorgenti e acceleratori di ioni. I LNS hanno un ruolo di primo piano, in collaborazione con altre strutture INFN e con altri Enti, nella realizzazione di KM3NeT, un’infrastruttura di ricerca sottomarina europea per la rivelazione dei neutrini, che è in fase di installazione nelle profondità nel Mar Mediterraneo, al largo di Capo Passero.
La vocazione dei LNS è focalizzata sulle attività di fisica nucleare, che negli ultimi anni hanno visto un incrementato interesse per l’astrofisica nucleare, in particolare per l’evoluzione e alla nucleo sintesi primordiale e stellare, oltre che per lo studio di decadimenti rari. A queste ultime attività è dedicato il progetto POTLNS, che prevede il potenziamento del ciclotrone superconduttore (già in funzione dal 1994 al 2020), l’implementazione del progetto FRAISE per la produzione di fasci di particelle radioattive in volo, e l’aggiornamento dell’apparato MAGNEX all’esperimento NUMEN, che studierà il cosiddetto doppio decadimento beta senza neutrini, un processo raro che, se osservato, avrebbe rilevanti implicazioni per le possibili estensioni della fisica oltre il Modello Standard.
Il multirivelatore CHIMERA studierà invece i nuclei ad alto contenuto di neutroni, e questioni legate alla struttura delle stelle di neutroni e ai processi di fusione di stelle compatte. Una ulteriore promettente linea di ricerca in fisica nucleare è quella dell’esperimento PANDORA, basato su una trappola magnetica per plasma in condizioni simili a quelle presenti nelle stelle. Ai LNS sono inoltre presenti un centro per la cura del melanoma oculare (dal 2002) e un laboratorio di analisi di reperti archeologici con tecniche non distruttive (Landis). È, inoltre, in corso di costruzione l’apparato I-LUCE che sarà dedicato alla produzione e accelerazione di particelle (protoni, ioni, elettroni, neutroni) e radiazione elettromagnetica, con possibili interessi in applicazioni industriali, per esempio in campo energetico, e ad applicazioni nel campo della fisica nucleare.
I Laboratori Nazionali del Gran Sasso sono il più grande centro di ricerca sotterraneo operativo (oltre 180.000 m3) in cui si realizzano esperimenti di fisica e astrofisica delle particelle, e astrofisica nucleare. Si trovano sotto il massiccio roccioso del Gran Sasso, a 1400 metri di profondità, e vi si accede da uno speciale ingresso costruito sull’A24, nel tunnel tra L’Aquila e Teramo. Proposti all’inizio degli anni ’80 grazie alla geniale intuizione di Antonino Zichichi, i LNGS attraggono ogni anno centinaia di ricercatori provenienti dalle più importanti università e istituzioni di ricerca europee e internazionali. La montagna sovrastante funge da schermo per la maggior dei raggi cosmici provenienti dall’atmosfera che colpiscono continuamente la superficie terrestre costituendo un disturbo per lo studio di fenomeni estremamente rari. Riducendo così il rumore di fondo è possibile studiare, nel silenzio cosmico, i neutrini e le altre particelle che interagiscono debolmente con la materia, e che per questa ragione riescono ad arrivare fino ai laboratori.
I LNGS sono un centro di riferimento internazionale per la fisica dei neutrini e della materia oscura, e attualmente sono coinvolti in una nuova generazione di esperimenti per la ricerca di eventi estremamente rari come la ricerca di materia oscura (XENONnT, DarkSide 20k), per l’astrofisica nucleare (Bellotti Ion Beam Facility) e per lo studio dei neutrini di Majorana (LEGEND, CUPID). Sono, inoltre, direttamente impegnati nello sviluppo di sistemi e infrastrutture per il calcolo quantistico grazie alle caratteristiche uniche offerte dagli ambienti sotterranei. Le tecnologie sviluppate dai LNGS hanno generato importanti ricadute anche fuori dal contesto della ricerca della fisica astroparticellare. Collaborazioni con aziende altamente tecnologiche sono in corso per trasferire le tecnologie provenienti dagli studi di fisica fondamentale al di fuori dei laboratori di ricerca.
I Laboratori Nazionali di Legnaro sono un centro di ricerca internazionale, a circa 10 km da Padova. Fondati nel 1961 come Centro Ricerche Nucleari della regione Veneto, nel 1968 diventano il secondo Laboratorio Nazionale dell’INFN. I punti di forza dei laboratori sono lo sviluppo e l’innovazione nel campo degli acceleratori di particelle e dei rivelatori di radiazioni, e delle tecnologie ad esse associate. Di particolare rilievo sono anche la fisica dei materiali, la nanodosimetria, la ricerca di materia oscura e le attività di trasferimento tecnologico, quali il trattamento delle superfici e la deposizione di film sottili, e il calcolo scientifico. Ai LNL operano cinque macchine acceleratrici per la fisica nucleare e interdisciplinare. L’unione tra ricerca fondamentale e applicazioni è un tratto caratteristico che è presente anche nel progetto SPES, in fase di completamento. Con il ciclotrone di SPES (sesto acceleratore dei LNL) e i bersagli ideati e realizzati all’interno dei Laboratori, si studieranno nuclei rilevanti in astrofisica nucleare e radioisotopi di interesse per la diagnostica e la terapia medica.
Attualmente il rivelatore AGATA, installato in una delle tre sale sperimentali del complesso grandi acceleratori, è operativo per circa il 90% del tempo macchina disponibile. AGATA è uno spettrometro per raggi gamma frutto di una collaborazione europea, costituito da cristalli di germanio iper-puro segmentati. Si tratta di un sofisticato rivelatore per raggi gamma che permette di tracciare il percorso del singolo fotone dentro il cristallo di germanio con una risoluzione di qualche millimetro. AGATA è un vero e proprio “occhio” capace di guardare all’interno dei nuclei atomici prodotti nelle collisioni fra ioni accelerati e bersagli realizzati ai LNL. Con queste misure, i gruppi di ricerca studiano in dettaglio caratteristiche utili alla comprensione della struttura del nucleo e delle forze che in esso legano protoni e neutroni, costituendo la materia ordinaria. AGATA è abbinata allo spettrometro magnetico PRISMA per la ricostruzione della traiettoria degli ioni.
Al complesso grandi macchine, sono operativi lo spettrometro a tempo di volo PISOLO e l’apparato GARFIELD per lo studio della dinamica delle reazioni. La sala sperimentale dell’acceleratore AN2000 ospita una stazione sperimentale per lo studio dell’ipotetica risonanza X17, l’analisi elementale con micro-fascio, la fisica dei materiali con la tecnica Rutherford Back Scattering. All’acceleratore CN ci sono in particolare le linee dedicate all’irraggiamento con neutroni e alla dosimetria. Ogni giorno accedono ai Laboratori circa 250 persone e gli utenti esterni sono circa 700 all’anno.
