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Fascio di anti-idrogeno? FATTO!

22 Gen

Uno degli aspetti della fisica che suscita maggior interesse nei non addetti ai lavori e’ senza dubbio il concetto di antimateria. Molto probabilmente, il motivo di questo interesse e’ da ricercarsi nelle tante storie fantascientifiche che sono state ispirate dall’esistenza di un qualcosa molto simile alla materia, se non fosse per la carica delle particelle che la compongono, che era presente prima del Big Bang ma che ora sembra totalmente scomparsa. Inoltre, come tutti sanno, se materia e antimateria vengono messe vicine tra loro si ha il fenomeno dell’annichilazione, qualcosa di assolutamente esotico nella mente dei non addetti ai lavori e che ha offerto trame sensazionali per tanti film e serie TV.

Come detto tante volte, dobbiamo fare una distinzione precisa tra quelle che chiamiamo antiparticelle e quella che invece viene intesa come antimateria. Cosi’ come avviene per la materia ordinaria, composta di particelle che, in questo schema, possiamo pensare come elettroni, protoni e neutroni, l’antimateria e’ a sua volta composta da anti-particelle. Spesso si tende a confondere questi due concetti, facendo, come si suole dire, di tutta l’erba un fascio.

Produrre anti-particelle e’ semplice e siamo in grado di farlo gia’ da diversi anni. Per darvi un esempio, molti collisori utilizzati per la ricerca nella fisica delle alte energie fanno scontrare fasci di particelle con antiparticelle. In questo contesto, molto usati sono i positroni, cioe’ gli anti-elettroni, e gli anti-protoni.

Completamente diverso e’ invece il caso dell’antimateria.

Per formare anti-atomi e’ necessario assemblare insieme le anti-particelle per comporre qualcosa simile nella struttura alla materia, ma composto a partire da mattoncini di anti-particelle.

Di questi concetti abbiamo gia’ parlato in articoli precedenti che trovate a questi link:

Troppa antimateria nello spazio

Due parole sull’antimateria

Antimateria sulla notra testa!

Come anticipato, prima del Big Bang, erano presenti in eguale quantita’ materia e anti-materia. Ad un certo punto pero’, l’anti-materia e’ scomparsa lasciando il posto solo alla materia che ha poi formato l’universo che vediamo oggi. Anche se questo meccanismo e’ in linea di principio ipotizzato dalla fisica, ci sono ancora punti da chiarire in quella che viene chiamata “asimmetria materia-antimateria”. Anche di questo abbiamo gia’ parlato in questi articoli:

E parliamo di questo Big Bang

Ancora sullo squilibrio tra materia e antimateria

Se, da un lato, produrre antiparticelle e’ semplice, metterle insieme per formare antiatomi non e’ assolutamente banale.

Nel 2011 al CERN di Ginevra era stato annunciato per la prima volta un risultato molto importante: atomi di anti-idrogeno erano stati formati e osservati per un tempo di circa 1000 secondi prima si scomparire. Questa osservazione aveva permesso di osservare alcune importanti proprieta’. Nel 2012, sempre al CERN, un altro esperimento era riuscito a misurare altre importanti proprieta’ di questi anti-atomi, facendo ben sperare per il futuro.

Ora, invece, sempre il CERN ha annunciato di essere riuscito per la prima volta a produrre addirittura un fascio di anti-idrogeni. L’annuncio ‘e stato dato sul sito del laboratorio svizzero:

CERN, ASACUSA NEWS

e pubblicato sull’autorevole rivista Nature.

La scoperta e’ stata realizzata dalla collaborazione internazionale ASACUSA, di cui fanno parte anche alcuni ricercatori del nostro Istituto Nazionale di Fiscia Nucleare.

Cosa sarebbero questi anti-idrogeni?

Seguendo il ragionamento fatto, questi speciali atomi sono composti dagli analoghi di antimateria di protone e elettrone. Se l’idrogeno ha un nucleo composto da un protone con un elettrone che gira intorno, un anti-idrogeno e’ composto da un anti-protone, carico negativamente, e un positrone che gira intorno, carico positivamente. Come potete facilmente capire, in questo gioco di costruzione di atomi, siamo alla struttura piu’ semplice conosciuta ma, come vedremo tra poco, fondamentale per la comprensione dell’universo.

Come e’ stato fatto questo esperimento?

L'esperimento ASACUSA del CERN

L’esperimento ASACUSA del CERN

Senza annoiarvi con tecnicismi, gli anti-idrogeni sono prodotti da un deceleratore di antiprotoni e poi allontanati dal punto di produzione ad una distanza sufficiente a non risentire dei campi magnetici. Questo accorgimento e’ fondamentale per stabilizzare gli anti-atomi che altrimenti si scomporrebbero scomparendo. Come vedete nella foto riportata, la camera da vuoto utilizzata e’ infatti un lungo tubo e gli anti-idrogeni sono stati osservati e immobilizzati ad una distanza di quasi 3 metri dal punto di produzione.

Perche’ e’ cosi’ importante l’anti-idrogeno?

La sua semplicita’ rispetto agli atomi piu’ pesanti, sia per materia che per anti-materia, ha fatto si che questi siano stati i primi atomi stabili creati nell’universo in espansione. Secondo la teoria, idrogeno e anti-idrogeno dovrebbero avere esattamente lo stesso spettro di emissione. Poter disporre in laboratorio di un fascio stabile di anti-atomi consentira’ di studiare a fondo le caratteristiche di questa struttura analizzando nei minimi dettagli ogni minima possibile discrepanza con l’idrogeno. Queste caratteristiche aiuterebbero notevolmente nella comprensione dell’asimmetria tra materia e anti-materia dando una notevola spinta in avanti nella comprensione della nascita del nostro universo e nella ricerca di ogni possibile accumulo di anti-materia.

Concludendo, questa importante notizia apre nuovi scenari nello studio della fisica di base, offrendo un’occasione fondamentale per comprende il nostro universo. Come spesso avviene, molti siti e giornali si sono lanciati in speculazioni parlando di pericoli o applicazioni fantascientifiche che lasciano un po’ il tempo che trovano. Sicuramente, il futuro in questa branca della ricerca ha ancora molto da offrire e non possiamo che essere entusiasti delle novita’ che ancora ci attendono.

 

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Dafne e KLOE: alte energie in Italia

31 Ago

In questi mesi, diversi lettori mi hanno chiesto di cosa mi occupassi precisamente. Come abbiamo imparato a conoscere attraverso alcuni articoli specifici, la fisica delle alte energie e’ molto vasta, con diversi esperimenti sparsi per il mondo. Nel mio caso specifico, ho partecipato e partecipo tutt’ora a diversi progetti in Italia, in Svizzera e negli Stati Uniti. Per darvi un’idea piu’ precisa, vorrei in questo articolo parlarvi di uno di questi progetti, KLOE, al quale sono per motivi affettivi piu’ legato, e che si trova ai Laboratori Nazionali di Frascati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Perche’ sono affezionato a questo esperimento? Semplice, oltre a trovarsi nel paese in cui sono nato, cresciuto ed in cui tutt’ora vivo, proprio su questo esperimento ho iniziato la mia carriera di fisico nel 2003, prima con la tesi di laurea, poi con il dottorato di ricerca e su cui, ancora oggi, lavoro.

Prima di tutto, e’ necessario che vi dia qualche informazione aggiuntiva. Purtroppo, mentre tutti hanno sentito parlare di CERN e LHC, pochi sanno che anche in Italia si fanno studi importanti e molto sofisticati di fisica delle alte energie. I laboratori Nazionali di Frascati sono il piu’ grande laboratorio di Fisica delle alte energie dell’INFN. Sono stati fondati nel 1955 e proprio qui e’ nata la fisica degli acceleratori. Da un’intuizione di Bruno Touschek proprio a Frascati e’ stata realizzata AdA nel 1960. Cosa sarebbe Ada? Come sapete, nei moderni acceleratori quello che si fa e’ far girare fasci di particelle ad altissima energia per farli poi scontrare in un punto preciso. Da questo scontro, grazie alla relazione di Einstein E=mc^2, possiamo creare particelle diverse da studiare per comprendere importanti meccanismi della natura. Facendo aumentare l’energia, possiamo di volta in volta scoprire particelle nuove. Fino al 1960, quest’idea nemmeno esisteva. Grazie all’esperimento AdA, che sta per Anello di Accumulazione, venne dimostrato come fosse possibile impacchettare fasci di particelle, farle muovere su orbite circolari e poi farle scontrare in un punto deciso a priori. Grazie proprio ad AdA vennero compresi importanti effetti di fisica dei fasci, importanti ancora oggi, tra questi, ad esempio, il cosiddetto Effetto Touchek dovuto all’interazione delle particelle nello stesso pacchetto.

Dal punto di vista delle particelle, AdA non scopri’ nessuna particella nuova. Questo e’ naturale se vedete la foto:

AdA: anello di accumulazione

AdA: anello di accumulazione

L’esperimento aveva un diametro di poco superiore al metro ed un’energia bassissima. Nonostante questo, AdA apri’ la strada ai futuri acceleratori. Subito dopo AdA, sempre a Frascati, si inizio’ a studiare qualcosa di piu’ grande, un vero e proprio collissore si particelle che oltre a far circolare i fasci, potesse accelerarli e curvarli. Nel 1967 venne dunque innaugurato Adone, che sta appunto per Big-AdA. Eccovi una foto di Adone:

Adone ai Laboratori Nazionali di Frascati

Adone ai Laboratori Nazionali di Frascati

Si tratta di un anello vero e proprio, molto piu’ simile a quelli attuali, con un diametro inferiore ai 100 metri e che poteva raggiungere la folle energia per l’epoca di 3GeV, ottenuta facendo scontrare fasci di elettroni e positroni. Per fare un confronto, oggi LHC e’ stato progettato per avere un’energia di 14TeV, cioe’ 14000GeV. Adone e’ stato il primo acceleratore moderno della storia. Capite dunque che la fisica dei collissori e’ nata a Frascati, laboratorio con una grandissima tradizione in questo settore e che, ancora oggi, ricopre un ruolo importante nei laboratori di tutto il mondo.

Ora cosa si studia a Frascati? Oggi in questi laboratori ci sono tantissimi gruppi che si occupano di fisica nucleare, fisica delle alte energie, astrofisica, astroparticelle, fisica della materia, fisica medica. Tra questi settori, un ruolo fondamentale e’ ricorperto ancora oggi dala fisica degli acceleratori e dal progetto KLOE a Dafne.

Dafne, il collisore attualmente in funzione ai Laboratori di Frascati

Dafne, il collisore attualmente in funzione ai Laboratori di Frascati

Dafne e’ l’attuale collissore dei laboratori che ha preso i primi dati utili nel 2000. Si tratta di sistema costituito da due anelli, uno per elettroni ed uno per positroni, che vengono fatti scontrare ad un’energia di poco superiore ad 1GeV. Perche’ un’energia cosi’ bassa? Al contrario di LHC, che e’ un esperimento di scoperta, in cui dunque si deve raggiungere la massima energia possibile per creare nuove particelle, Dafne e’ una macchina di precisione. Questa categoria di anelli, lavorano ad un’energia ben precisa, calibrata per massimizzare la produzione di determinate particelle. Nel caso di Dafne, la macchina e’ una fabbrica di mesoni Phi, Phi-factory.

Di modello standard, materia strana, antimateria, ecc, abbiamo parlato in questi post:

Piccolo approfondimento sulla materia strana

Due parole sull’antimateria

Antimateria sulla notra testa!

Bosone di Higgs … ma che sarebbe?

La materia oscura

Cosa sarebbe invece la Phi? Detto molto semplicemente, si tratta di una risonanza, cioe’ uno stato legato tra due quark (uno strange ed un anti-strange), che vive un tempo brevissimo dopo di che decade in qualche altra cosa. Tra i possibili canali di decadimento, tra i piu’ probabili ci sono quelli in coppie di Kaoni. Attenzione, il discorso sembra complicato, ma non lo e’. In fisica, ogni particella ha il suo nome. I kaoni sono soltanto una famiglia di particelle in cui rientrano diversi elementi: K carichi, K neutri, K lunghi, K corti, ecc.

Bene, a Dafne si vogliono studiare questi Kaoni e per produrli e’ necessario avere una macchina in grado di creare tantissime Phi. Perche’?

In questo articolo:

E parliamo di questo Big Bang

abbiamo parlato del meccanismo del Big Bang, vedendo come in seguito a questa esplosione, si e’ verificato uno sbilancio tra materia ed antimateria, che ha portato alla scomparsa della seconda e alla formazione di un universo di materia. Se ben ricordate, abbiamo anche detto come, dal punto di vista teorico, questo meccanismo e’ teoricamente possibile supponendo che siano avvenute determinate condizioni, dette di Sacharov. Tra queste, vi e’ una violazione di CP, cioe’ proprio uno squilibrio tra materia ed antimateria che porta nei decadimenti a preferire stati finali piu’ ricchi di materia.

Cosa c’entrano i kaoni con la violazione di CP?

Nel 1974, decadimenti con violazione di CP venero osservati per la prima volta per un membro della famiglia dei Kaoni, il K long. Ad oggi, oltre che nei Kaoni, la violazione di CP e’ stata osservata anche nei mesoni B. Detto questo, capite bene l’importanza di questi studi. Comprendere a fondo la violazione di CP e le sue conseguenze, ci permette di capire meglio l’origine stessa dell’universo.

L’esperimento operante a Dafne e che studia proprio i decadimenti delle particelle e’ KLOE, un complesso sistema di rivelatori pensato per registrare ed osservare tutte le particelle che entrano nei vari decadimenti.

L'esperimento KLOE installato all'interno di Dafne

L’esperimento KLOE installato all’interno di Dafne

Attraverso i dati raccolti e’ possibile ricostruire l’intero evento e capire che tipologia di decadimento e’ avvenuto. Per fare questo sono necessari diversi rivelatori, ognuno specializzato per determinate particelle, pensati e realizzati in modo del tutto unico direttamente ai laboratori di Frascati.

Perche’ ancora oggi a distanza di anni KLOE e Dafne sono in funzione?

Vista la rarita’ dei decadimenti che si vogliono studiare, e’ necessario raccogliere un campione molto vasto di dati. Detto in altri termini, poiche’ la probabilita’ di avere il decadimento che cercate e’ molto bassa, dovete raccogliere un campione molto grande di Phi per poter avere la statistica necessaria a fare questi studi.

KLOE ha preso dati fino al 2006 raccogliendo un campione cospicuo di Phi. Oltre alla violazione di CP,  KLOE ha posto importanti limiti in tantissimi decadimenti, studiato la gravita’ quantistica, osservato per la prima volta decadimenti mai visti prima, ecc. Tutti risultati di prim’ordine che hanno dato lustro alla fisica delle alte energie in Italia.

Nel 2008 e’ stato poi pensato, sempre a Frascati, un nuovo meccanismo di collissione dei fasci che permetterebbe a KLOE di raggiungere “luminosita’” piu’ elevate, cioe’, modificando solo la zona di interazione dei fasci, si potrebbero accumulare molti piu’ dati a partita’ di tempo. Questa modifica e’ importantissima per un esperimento di precisione come KLOE che dunque potrebbe andare a studiare nuovi settori e migliorare notevolmente i canali gia’ studiati. Proprio per questo motivo, si e’ deciso di iniziare un nuovo periodo di presa dati per KLOE.

Cosa e’ successo tra il 2009 e il 2013?

In questo periodo di tempo, KLOE, costruito come detto un decennio prima, ha pensato di realizzare nuovi rivelatori da installare vicino alla zona di interazione, proprio per migliorare la sua sensibilita’ sfruttando idee nuove e le ultime migliorie pensate in questi anni. Questi nuovi dispositivi sono rivelatori molto complessi e compatti che hanno richiesto diversi anni prima di essere ottimizzati e realizzati. Prima di questa estate, i nuovi rivelatori sono stati installati con successo ed in questi giorni si sta lavorando per ottimizzare il tutto e prepararci alla nuova presa dati dell’esperimento KLOE, ora chiamato KLOE-2. L’accensione di tutto il sistema e’ prevista per il 9 settembre, giorno di inizio di una lunga presa dati che portera’ sicuramente a nuovi ed importanti studi.

Come potete capire, la fisica delle alte energie non e’ riservata al CERN. I fisici italiani, oltre ad avere ruoli importanti nei grandi laboratori del mondo, sono anche attivi nel nostro paese con esperimenti di precisione, importantissimi per capire come funziona il nostro universo.

 

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Lotteria profetica 2012

21 Dic

Non mi dite che non l’avevo previsto, anzi, per rimanere in tema, l’avevo “profetizzato”. E’ da poco scattato il 21 dicembre anzi, per essere precisi, in diverse parti del mondo e’ il solstizio d’inverno gia’ da diverse ore. Stranamente ho aperto i giornali e non ho trovato nessun articolo che parlasse di tremendi terremoti, mi sono affacciato e non ho visto nessun asteroide puntare verso la Terra e non mi sembra che la rotazione del pianeta si sia fermata.

Inoltre, e’ notte fonda. Forse i famosi fotoni della cintura ancora non sono arrivati. Meglio tenere gli occhiali da sole a portata di mano!

C’e’ anche un altro aspetto di cui avevamo parlato e che si e’ avverato in pieno, sul web si sta scatenando una vera e propria “lotteria profetica” a chi la spara piu’ grossa. Forse siamo meglio noi a fare le profezie che i siti catastrofisti di cui tanto ci siamo occupati in questi mesi.

In questo post, vorrei parlare in particolare di quelli che io considero il primo e il secondo premio di questa bizzarra lotteria, cioe’ le due bufale piu’ assurde lette fino a questo momento.

La prima riguarda nuovamente l’allineamento con il centro galattico. Come visto in passato, questo altro non e’ che il centro di rotazione dei corpi che popolano la nostra galassia. Nella parte centrale della Via Lattea abbiamo un buco nero supermassivo, anche detto Sagitarius A. Per chi non lo sapesse, viene chiamato in questo modo perche’ da Terra vediamo il centro della galassia all’interno della costellazione del Sagittario. Questo solo per essere precisi, visto che su web anche su questo punto si sono inventate teorie assurde.

Le ultime profezie sul centro galattico giocano l’ultima carta mescolando alla rinfusa diverse teorie e cercando di alimentare il panico con paroloni, usati a sproposito, e argomentazioni completamente avulse dalla scienza.

Se vi fate un giretto sui molti siti catastrofisti, si parla nuovamente di emissione di “radiazione” misteriosa e potentissima dal centro galattico quando la Terra e il Sole saranno allineati con questo buco nero. Inoltre, c’e’ chi parla di violenti terremoti che inizieranno quando i corpi saranno allineati modificando l’equilibrio gravitazionale che esisteva da secoli.

Dimenticavo di dirvi che in rete trovate anche l’ora esatta in cui avverra’ l’allineamento. Precisamente il tutto accadra’ alle 11.11 UTC, cioe’ le 12.11 in Italia.

Cosa c’e’ di vero in tutto questo? Assolutamente nulla.

Chi segue questo blog, ricordera’ che abbiamo gia’ smentito le profezie sul centro galattico in questi post:

Nexus 2012: bomba a orologeria

Nuova sconvolgente teoria?

Per quanto riguarda invece i terremoti, diversi post sono stati dedicati alla questione (per visualizzarli basta cercare “terremoti” con la funzione cerca) ed, in particolare, abbiamo analizzato le eventuali correlazioni tra i moti astronomici ed i sismi sulla Terra, in questi post:

Allineamenti e terremoti

Eclissi del 13 Novembre: la rivelazione?

Allineamenti, terremoti e … Bendandi

Da quanto detto in questi articoli, non c’e’ assolutamente nulla da temere su questi punti tanto citati in rete nelle ultime ore.

Ora, questa prima notizia era in realta’ il secondo premio della lotteria, resta da vedere il primo premio, la sparata piu’ grossa delle ultime ore. Come vedrete tra poco, mi sentirei quasi di promuoverla sparata piu’ grossa sul 2012.

Un'immagine tratta dal video

Un’immagine tratta dal video

Al contrario di quanto fatto ei post precedenti, vi metto anche il link della notizia. E’ talmente assurda che merita di essere letta con tutta l’enfasi di cui viene caricata.

Prima di fare dei commenti, e’ il caso di leggerla:

Il 21 Dicembre spiegato da un rappresentante del popolo Maya

Trovate anche il video citato nell’articolo a questo link:

Video Maya

Ora, partendo dal presupposto che non sappiamo se veramente si tratti di un Maya, l’autore di questo articolo, insieme a tutti i siti che ne stanno parlando, dovrebbero mettere la testa sotto una pietra e nascondersi.

Vi rendete conto di quello che c’e’ scritto? Si tratta della migliore raccolta di assurdita’ scientifiche mai letta. Un bambino delle scuole medie ha le conoscenze scientifiche per capire che si stanno scrivendo soltanto fandonie.

Gli scienziati stanno cercando la particella chiamata antimateria

Cosa? L’antimateria non e’ una particella. Come tutti sanno, dopo il big bang, l’antimateria e’ scomparsa lasciando solo materia. Questa e’ l’ipotesi maggiormente accettata dalla scienza. Per antimateria si intendono aggregati di antiatomi, cioe’ atomi composti anziche’ di protoni, elettroni e neutroni, delle loro rispettive antiparticelle. Gli atomi, di materia o di antimateria, non sono particelle. L’elettrone e’ una particella, il Ferro e’ un atomo ed e’ materia.

Per chi non lo sapesse, le antiparticelle vengono create tutti i giorni anche dall”uomo all’interno dei laboratori di ricerca. Molti degli acceleratori in giro per il mondo utilizzano fasci di particelle che vengono fatti scontrare con antiparticelle. Questo processo viene utilizzato perche’ permette di raggiungere energie elevate per gli esperimenti.

Diverso e’ il caso dell’antimateria. La creazione di atomi di antimateria e’ una cosa molto diversa e ben piu’ difficile. Il concetto piu’ importante e’ quello di non confondere antimateria con antiparticelle singole.

Andiamo avanti nella lettura.

… quest’esperimento prende il nome di “protone protone”

Visto che si parla di acceleratori di particelle e si lascia intendere si tratti di un collisore protone-protone, molto probabilmente ci si sta riferendo al famoso LHC del CERN.

Ora, secondo l’articolo, in uno scontro protone-protone si creano tanti protoni che entrano nella crosta terrestre e accendono i movimenti tellurici scatenando terremoti.

Ma ci rendiamo conto di quello che scriviamo?

LHC ha gia’ preso tantissimi dati e dunque fatto tantissimi scontri protone-protone. A parte il fatto che le cose dette sono assurde scientificmente, perche’ dovrebbe succedere questo evento (inventato) proprio oggi? Da quanto detto, perche’ al CERN aspettano l’allineamento con il centro della galassia per avere questo evento. E cosa c’entra l’allineamento con il centro della galassia con LHC? Questo purtroppo lo sa solo l’autore dell’articolo. Anzi, per dirla tutta, molto probabilmente non lo sa proprio nemmeno lui.

Andando avanti potete leggere anche che l’asperimento di fisica oltre a creare terremoti, sara’ anche il responsabile dell’interruzione della rotazione terrestre.

Di probabili conclusioni del nostro mondo legate agli esperimenti di accelerazione delle particelle, ed in particolare di LHC, avevamo parlato in questo post:

2012, fine del mondo e LHC

Gia’ qui avevamo visto una raccolta delle assurde, ma reali, richieste di spegnimento dell’acceleratore da parti di sedicenti esperti, ma in questo caso si sta veramente esagerando.

Senza mezzi termini, vi dico chiaramente che siamo di fronte alla piu’ grande raccolta di assurdita’ scientifiche mai sentite. Non solo si parla di teorie assurde, ma soprattutto si usano termini scientifici alla rinfusa, dimostrando di non sapere assolutamente di cosa si stia parlando.

Per smentire una teoria del genere, non serve essere un esperto del settore, basta aprire un libro di scienze delle medie e verificare quanto vengano utilizzati in modo sbagliato termini scientifici confondendo cose diverse o utilizzando concetti evidentemente sconosciuti a chi ha scritto l’articolo.

L’avevamo detto, le ultime ore prima della fine del 21/12, sarebbero state le peggiori. Mai avrei immaginato una conclusione a questo livello. Fate attenzione perche’ il gioco sta diventando subdolo. Si stanno utilizzando termini alla rinfusa soltanto per mantenere alto il livello di guardia e per confondere le idee delle persone.

Per leggere un vero libro di divulgazione scientifica, accessibile a tutti e con spiegazioni chiare, non perdete in libreria “Psicosi 2012. Le risposte della scienza”.