Archivio G23

L’esistenza delle onde gravitazionali fu ipotizzata da Albert Einstein come una conseguenza della Relatività Generale in un articolo del 1917. Einstein stesso riteneva che comunque un eventuale effetto fisico delle onde gravitazionali sarebbe stato troppo debole per poter essere rivelato. L’argomento fu al centro di vari dibattiti nella comunità dei fisici fino ad un congresso tenuto a Chapel Hill (North Carolina, USA), in cui Richard Feynman portò il primo argomento convincente per sostenere che le onde gravitazionali trasportassero energia e potessero quindi essere rivelate. Al congresso di Chapel Hill era presente anche un giovane fisico, Joseph Weber, che decise di dedicarsi all’impresa scientifica di rivelare le onde gravitazionali. Per raggiungere questo scopo, ideò delle antenne costituite da cilindri di alluminio di più di una tonnellata di massa, le cui vibrazioni venivano rivelate da trasduttori piezoelettrici. Le antenne realizzate erano due, separate da alcune migliaia di chilometri di distanza: un’onda gravitazionale, proveniente dallo spazio, avrebbe ceduto energia ad entrambe le antenne contemporaneamente, facendole vibrare in coincidenza e consentendo di discriminare il segnale gravitazionale dal rumore ambiente. Nel 1968 Weber annunciò di aver rivelato le onde gravitazionali: l’annuncio ebbe una grande risonanza nella comunità scientifica e portò altri gruppi nel mondo a costruire antenne gravitazionali analoghe a quelle di Weber, per verificare i suoi risultati, purtroppo senza avere successo. 
Fu in questo periodo che nacque l’attività di ricerca sulle onde gravitazionali in Italia, su iniziativa di Guido Pizzella, un fisico che era cresciuto alla scuola di Van Allen nell’Università dell’Iowa, e con l’appoggio fondamentale di Edoardo Amaldi, allievo di Enrico Fermi, che aveva scelto di restare in Italia durante la guerra e si era prefissato in seguito l’obiettivo di far rinascere la fisica nel nostro paese. Il 3 settembre 1970, Edoardo Amaldi e Guido Pizzella danno inizio al nuovo  gruppo di ricerca sulle onde gravitazionali, presso il Dipartimento di Fisica della Sapienza. Il gruppo fu denominato G23, cioè 23° gruppo di ricerca del Dipartimento e gli furono assegnati i locali che occupa tuttora al pianterreno dell'edificio Marconi. Nel 1971 Amaldi e Pizzella ebbero notizia dell’iniziativa di William Fairbanks, dell’Università di Stanford, e di Bill Hamilton, dell’Università Statale della Louisiana: avrebbero costruito due antenne gravitazionali simili a quelle di Weber, ma raffreddate a temperature vicine allo zero assoluto per migliorarne la sensibilità, e le avrebbero operate in coincidenza nei due siti. Fu subito chiaro a Pizzella ed Amaldi che quella era la strada che anche il gruppo di Roma doveva seguire, e fu sancita una collaborazione tra i tre gruppi Lousiana-Roma-Stanford per la costruzione di antenne risonanti criogeniche da 5 tonnellate raffreddate  a 0.003 K.
Nel nucleo iniziale del gruppo erano Renzo Marconero, esperto di rivelatori, e Massimo Cerdonio che conosceva la nascente tecnica dei rivelatori a SQUID. Si aggiunsero dopo breve tempo Ivo Modena, esperto di criogenia, e Giovanni Vittorio Pallottino, esperto di elettronica. Per l’installazione dell’antenna gravitazionale si pensò dapprima ai Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN, che però non risultarono disponibili. Si arrivò infine a utilizzare il laboratorio della Nuova Pignone (gruppo ENI) presso Monterotondo (Roma). Una prima versione dell’antenna gravitazionale in alluminio fu montata presso questo laboratorio e nella primavera del 1974 iniziarono i primi test. Tuttavia, fu presto evidente che le difficoltà tecniche di un’impresa del genere, mai tentata prima, richiedevano un approccio più graduale per essere affrontate. Fu quindi deciso di realizzare un’antenna criogenica di soli 300 kg di massa da installare presso l’Istituto per lo Studio del Plasma nello Spazio del CNR presso Frascati denominata Altair, creato dallo stesso Pizzella al ritorno dalla sua collaborazione con Van Allen. Le tecnologie da installare sulla nuova antenna sarebbero state sviluppate in modo più agile e su scala più piccola nel Laboratorio G23 nel Dipartimento di Fisica della Sapienza, dove fu installato un criostato per antenne di soli 23 kg. Su questo apparato nel G23 fu misurato per la prima volta il moto Browniano  di un corpo macroscopico a 4.2 K, furono sviluppate le tecniche di trasduzione piezoelettrica e risonante, l’elettronica di rivelazione e acquisizione, le prime tecniche di analisi dati. Al gruppo si erano aggiunti dei giovani contrattisti: Fulvio Ricci, Carlo Cosmelli, Sergio Frasca, Valeria Ferrari, Umberto Giovanardi e i primi laureandi, tra i quali: Luciana Adami, Carla Andreani, Massimo Bassan, Livio Narici, Maria Gabriella Castellano, Piero Rapagnani, Pietro Chistolini, Giorgio Nitti, Eugenio Coccia. Grazie anche al loro lavoro fu realizzata l’antenna gravitazionale all’IFSI e fu infine costruita la grande antenna EXPLORER, consistente in un cilindro di 2.5 tonnellate raffreddato a 2 K. EXPLORER su assemblato a partire dal 1980 nei laboratori del CERN di Ginevra,  rimanendo operativo dal 1989 al 2008. Per alcuni anni di questo periodo, EXPLORER è stata l’antenna più sensibile in funzione al mondo.
Forti dell’esperienza guadagnata nello sviluppo di EXPLORER, il gruppo si pose un obiettivo ancora più ambizioso: realizzare un’antenna gravitazionale di 2.5 tonnellate raffreddata a 0.1 K. La nuova antenna, NAUTILUS, fu sviluppata e provata al CERN nel 1992, per poi essere installata nel 1995 presso i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN. L’esperienza e le tecnologie sviluppate nel NAUTILUS faranno nascere l’antenna gemella AURIGA, presso il Laboratori Nazionali di Legnaro (Padova) dell’INFN, grazie al lavoro di un nuovo gruppo Onde Gravitazionali diretto da Massimo Cerdonio.
Nonostante il successo di NAUTILUS, le analisi dei dati in coincidenza tra i vari rivelatori gravitazionali nel mondo non avevano ancora permesso di rivelare le onde gravitazionali che rimanevano un traguardo elusivo. Si tentò di aumentare ancora la sensibilità utilizzando complesse tecniche di trasduzione non lineare come la Back Action Evasion (BAE), ma, nei primi anni 90, una parte del gruppo G23 (Fulvio Ricci, Ettore Majorana, Paola Puppo e Piero Rapagnani) decise che per raggiungere l’obiettivo era necessario cambiare tecnologia, e nel 1994 entrarono nella Collaborazione Virgo, nata pochi anni prima su iniziativa di Adalberto Giazotto, dell’INFN di Pisa e Alain Brillet, allora al laboratorio LAL di Orsay presso Parigi. Giazotto e Brillet progettavano di rivelare le onde gravitazionali mediante un grande interferometro con bracci di tre chilometri disposti ad angolo retto. L’arrivo dell’onda gravitazionale avrebbe fatto variare la lunghezza relativa dei due bracci, misurata mediante un raggio laser riflesso da specchi a ciascuna estremità. Gli specchi utilizzati nell’interferometro andavano sospesi per evitare di essere disturbati dal rumore sismico e controllati per essere orientati in modo da riflettere opportunamente il fascio laser. I membri del G23 entrati in Virgo presero in carico proprio la realizzazione dell’ultimo stadio di sospensione e controllo degli specchi, denominata nel gergo di Virgo “payload”, essendo esso il carico pagante al cuore dell’antenna gravitazionale. Virgo fu costruito a partire dal 1996 nella pianura di Cascina, e il gruppo di Roma in Virgo realizzò tutti i payload per le varie fasi di vita del rivelatore: l’interferometro centrale, in cui, mentre i bracci di 3 chilometri erano ancora in costruzione, si fecero misure di diagnostica sulla parte dove i fasci laser interferivano; Virgo iniziale, la prima versione completa dell’interferometro gravitazionale, completata nel 2003; Virgo+MS, in cui nel 2011 furono provate per la prima volta su un grande interferometro le nuove sospensioni monolitiche, e infine Advanced Virgo, la cui costruzione è iniziata nel 2014 e che è ancora in operazione. Nel 2006 Virgo e LIGO, l’osservatorio gravitazionale americano con due antenne interferometriche, si accordarono per uno scambio completo e uno studio congiunto dei dati: la rete globale di interferometri avrebbe funzionato in coincidenza come “one machine” un’unica macchina. Negli stessi anni, i membri del G23 che ancora lavoravano sulle antenne risonanti entrarono in Virgo. Nel tempo, il gruppo si era guadagnato varie posizioni di responsabilità: in particolare Fulvio Ricci era stato eletto spokeperson della Collaborazione per il periodo 2014-2017, gli anni della prima rivelazione di onde gravitazionali.
Nel 2015 LIGO rivelò per la prima volta le onde gravitazionali, con un’analisi dati congiunta con Virgo.
Nel 2017, Virgo rivelò la sua prima onda gravitazionale e contribuì in modo fondamentale alla rivelazione e identificazione della posizione nel cielo dell’evento gravitazionale dovuto al collasso di due stelle di neutroni. L’evento venne identificato in ottico e seguito in tempo reale da decine di osservatori astronomici sulla terra e nello spazio, segnando la nascita dell’astronomia multi-messaggera.  
Le scoperte e le osservazioni di LIGO e Virgo valsero il premio Breakthrough nel 2016 alla Collaborazione LIGO-Virgo e il premio Nobel nel 2017 a Rainer Weiss, Kip Thorne, Barry Barish, iniziatori e realizzatori del progetto LIGO.
Il gruppo G23 è attualmente ancora in piena attività nell’analisi dei dati dei rivelatori gravitazionali, nel  miglioramento della sensibilità degli strumenti di rilevazione e nella costruzione di interferometri di nuova generazione, specialmente per quanto riguarda il progetto Einstein Telescope.

 

Le carte del Gruppo 23 sono state prodotte e conservate dagli studiosi che negli anni hanno formato, presso il Dipartimento di Fisica dell'Università la Sapienza, il primo gruppo di ricerca italiano dedicato allo sviluppo di strumenti per la rivelazione delle onde gravitazionali. Il nucleo documentario non è stato prodotto da un singolo soggetto ma è il frutto di anni di studio, calcoli ed esperimenti condotti negli anni di attività da tutti i membri che vi hanno collaborato.
Al momento del loro pensionamento dall’Università la Sapienza, le carte sono state via via lasciate in custodia al Prof. Piero Rapagnani, ultimo scienziato del nucleo originario del gruppo a rimanere in attività presso l’Ateneo. Nel 2025 Piero Rapagnani ha deciso di versare il fondo presso la biblioteca del Dipartimento di Fisica dell'Università la Sapienza, affinché la memoria del G23 e del suo contributo alla nascita della fisica delle onde gravitazionali non andasse dispersa.
Le carte sono pervenute in archivio in buono stato di conservazione e parzialmente riordinate.
Il riordinamento e l'inventario sono stati curati da Irene Ventresca, nell'ambito del tirocinio curriculare del corso di studi di Archivistica e biblioteconomia, sotto la supervisione di Francesca Nemore e Antonella Cotugno.