Sia i manufatti antichi che le tecnologie moderne richiedono metodi di esame che lascino l'oggetto completamente intatto. I ricercatori del PSI utilizzano particelle elementari chiamate muoni e sviluppano un nuovo metodo sperimentale utile per l'archeologia e in grado di rispondere a domande sullo sviluppo delle batterie.
Due ricercatori compiono gli ultimi passi per preparare uno strumento di misura al trasporto. L'apparecchio, che un gruppo di ricerca del PSI ha sviluppato e assemblato negli ultimi dieci mesi, è incorniciato da un telaio alto circa due metri e mezzo per garantire la sicurezza. "Potremo usarlo per determinare in modo non distruttivo di quali elementi chimici è composto un campione", spiega Lars Gerchow, responsabile della progettazione dello strumento. Per farlo, hanno bisogno di speciali particelle elementari note come muoni.
Gerchow, la sua collega Sayani Biswas e altri aiutanti si trovano nella grande sala che ospita la sorgente di muoni del PSI. I muoni sono particelle elementari che si trovano naturalmente ovunque come parte della radiazione cosmica. "In media, un muone passa sulla nostra testa ogni secondo", spiega il fisico. Al PSI, tuttavia, queste particelle sono prodotte artificialmente con l'aiuto di un grande acceleratore.
Lo strumento di misura è pronto per essere trasportato nel luogo previsto, un compito delicato che richiede una gru interna. L'operatore della gru riceve istruzioni da terra via radio, poi lo strumento vola in aria.
Oro e argento della città romana
Nel frattempo, nella sala di controllo, da dove i fisici controlleranno l'esperimento sui muoni, l'archeologa Isabel Megatli sta facendo gli ultimi preparativi per la sua missione. Ha portato con sé preziosi oggetti d'oro e d'argento scavati ad Augusta Raurica, uno dei siti romani più importanti della Svizzera, a circa dieci chilometri a est di Basilea. Particolarmente belle sono due statuette del II secolo d.C., raffiguranti divinità romane provenienti da un santuario domestico. Ercole, alto poco più di sei centimetri e con una pelle di leone sul braccio, è accompagnato da un cinghiale mitologico, che i ricercatori chiamano "il porcellino". Minerva indossa una veste a pieghe e un elmo stravagante.
Le statuette sono state fuse in argento e parzialmente dorate. "Vogliamo sapere quale lega d'argento è stata utilizzata", spiega Megatli. "Con i metodi precedenti, possiamo esaminare solo i centesimi di millimetro più esterni, ma questa superficie è stata spesso distorta nel corso dei secoli". Con i muoni, invece, è possibile guardare diversi millimetri più in basso.
Siamo riusciti a dimostrare che Minerva ed Ercole sono fatti di una lega d'argento di alta qualità.
Megatli ha portato con sé anche alcuni gioielli antichi ritrovati come corredi funerari. "Gli antichi fonditori avevano le loro rigorose ricette", spiega l'archeologo. Quindi, se due oggetti hanno la stessa lega, probabilmente sono stati realizzati nella stessa officina". "Con ulteriori indagini, i ricercatori possono talvolta determinare anche la miniera da cui provenivano i minerali metallici utilizzati. "E possiamo anche rintracciare i contraffattori", dice Megatli. "Perché l'alluminio, ad esempio, è stato lavorato solo a partire dal XIX secolo".
L'impronta digitale degli elementi
Il fisico Sayani Biswas spiega come funzionerà l'esperimento: "Abbiamo un campione su cui inviamo muoni con carica negativa". Un atomo nel campione cattura un muone. Invece di un elettrone, un muone orbita attorno al nucleo dell'atomo. Inizialmente si trova in uno stato eccitato e poi ricade gradualmente al suo stato fondamentale. Durante questo processo vengono emessi raggi X. L'energia di questa radiazione è caratteristica del tipo di atomo, cioè dell'elemento che ha catturato il muone. Biswas, che è responsabile dell'elaborazione e dell'analisi dei dati, indica una curva registrata in precedenza con picchi acuti, nota come spettro. Ogni elemento ha un modello specifico di linee nello spettro, come un'impronta digitale.
Nella sala, lo strumento di misura è arrivato a destinazione con la massima cura. Diversi specialisti stanno attaccando i sei grandi rivelatori di raggi X alle aste.
Anche Alex Amato, responsabile ad interim della Divisione di ricerca sui neutroni e i muoni del PSI, sta dando una mano. È stato lui a dare il via al progetto, al quale partecipano il PSI, la città romana di Augusta Raurica, l'Empa e il Museo di Storia Naturale di Berna e che è sostenuto dal Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica con quasi un milione e mezzo di franchi svizzeri nell'ambito del programma Sinergia. "Già trent'anni fa, al PSI si cercava di utilizzare i muoni per determinare la composizione elementare dei materiali in profondità, ma allora il fascio di particelle non era abbastanza intenso", spiega il responsabile della ricerca. "Oggi siamo venti volte più bravi. E abbiamo un'intensità mille volte superiore a quella dei nostri colleghi inglesi e giapponesi nei loro esperimenti simili".
Nella descrizione di Sinergia si legge anche: "Questo progetto mira a fare della Svizzera un leader mondiale nell'analisi elementare non distruttiva". E si prevede che ci sarà una grande richiesta da parte dell'industria, della cultura e del mondo accademico.
Tuttavia, i ricercatori sono ancora nelle fasi iniziali, riuniti nella sala di controllo davanti a una serie di schermi di computer. Non ci sono più persone nell'area sperimentale. Solo le statuette di Ercole e Minerva aspettano di essere utilizzate. Sono collocate in supporti di gommapiuma appositamente tagliati in telai metallici, che a loro volta sono stati posizionati su un binario di fronte ai rilevatori. Lars Gerchow dà il comando nella sala di controllo: "Possiamo avviare il fascio". Questo segna l'inizio delle misurazioni, che ora proseguiranno 24 ore su 24.
Batterie nel fascio di muoni
Due giorni dopo, i ricercatori inseriscono nel fascio di muoni un oggetto completamente diverso: una batteria agli ioni di litio. "Vogliamo scoprire come la batteria invecchia con l'uso", spiega Ryo Asakura, ricercatore dell'Empa di Dübendorf. Per questo motivo ha portato al PSI una batteria nuova e una usata: si tratta di pacchi piatti simili alle batterie degli smartphone. "Il catodo di queste batterie contiene nichel, manganese e cobalto", spiega Asakura. Con il tempo, questi metalli si staccano dal catodo, contribuendo all'invecchiamento di questo tipo di batterie. Le misurazioni con i muoni hanno lo scopo di visualizzare questo processo. In seguito, i ricercatori vorrebbero tracciare il litio nella batteria. I risultati dovrebbero contribuire a migliorare la densità energetica e la sicurezza delle batterie agli ioni di litio.
Dopo una settimana, le misurazioni degli oggetti antichi e delle batterie sono state completate. "Con la batteria, vediamo delle belle linee per il nichel, il manganese e il cobalto nello spettro", dice soddisfatto Sayani Biswas. Nelle prossime settimane, Ryo Asakura caricherà e scaricherà ripetutamente le batterie all'Empa per osservare i cambiamenti dopo questo processo di invecchiamento in un secondo periodo di misurazione.
Le deflessioni mostrano due isotopi dell'argento
Nei dati di misurazione dei campioni di Augusta Raurica, Sayani Biswas evidenzia alcune deflessioni sovrapposte: "Qui si possono vedere due diversi isotopi dell'argento", cioè tipi atomici di argento minimamente diversi. Il rapporto di questi isotopi può aiutare l'archeologa Isabel Megatli a determinare l'origine dell'argento. L'archeologa è già entusiasta dei risultati preliminari: "Siamo riusciti a dimostrare che Minerva ed Ercole sono fatti di una lega d'argento di alta qualità".
Il prossimo periodo di misurazione è previsto tra due mesi. Oltre ad altri manufatti antichi e alle batterie agli ioni di litio, verrà esaminata anche una punta di freccia dell'età del bronzo, che potrebbe essere stata realizzata con materiale meteoritico. "Il nostro metodo non distruttivo è ideale anche per questa domanda", afferma Lars Gerchow.
