22 Ott Acceleratori di particelle al servizio della società

Le applicazioni per i beni culturali

Gli acceleratori di particelle trovano la loro naturale applicazione in contesti sperimentali unici, e normalmente occupano grandi volumi e non sono trasportabili all’esterno dei laboratori di fisica. L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare nei suoi laboratori opera con diversi acceleratori di particelle, dedicati non solo allo studio della fisica di base ma anche a scopi applicativi, come le scienze della vita e lo studio dei beni culturali.

Nel campo della conservazione dei beni culturali, le tecniche nucleari vengono utilizzare per studiare in maniera non invasiva la composizione dei materiali che costituiscono un’opera d’arte e per datare i reperti organici con il metodo del radiocarbonio, effettuando un micro-prelievo.

Si possono distinguere tre grandi famiglie di applicazioni: le analisi con fasci di ioni IBA (Ion Beam Analysis), la datazione con spettrometria di massa con acceleratore (AMS) e le tecniche basate sulla luce di sincrotrone.

Analisi di beni culturali con fasci di ioni

Nelle tecniche IBA un fascio di particelle cariche, in genere protoni con energia di pochi MeV, colpisce l’oggetto da studiare. L’interazione fra i protoni del fascio e gli atomi che costituiscono l’oggetto induce l’emissione di diversi tipi di radiazione,  che “firmano” gli elementi chimici presenti:

• PIXE (Particle Induced X-ray Emission): sfrutta l’emissione di raggi X caratteristici di ciascun elemento e permette di identificare pigmenti, leghe metalliche, vetri e pietre preziose.
• PIGE (Particle Induced Gamma-ray Emission): sfrutta l’emissione di raggi gamma ed è utile per identificare elementi leggeri come sodio, fluoro e boro.
• RBS/EBS (Rutherford /Elastic Backscattering Spectrometry): analizza le particelle del fascio diffuse all’indietro e restituisce informazioni sulla composizione in funzione della profondità, per esempio sullo spessore di patine e di strati di corrosione.
• DPAA (Deep Proton Activation Analysis): si basa sulla produzione di isotopi radioattivi in seguito a reazioni nucleari indotte dai protoni del fascio sui nuclei atomici di cui è costituito il reperto in esame, permettendo di concentrare l’analisi nella zona interna del reperto stesso.

L’elemento decisivo per l’analisi dei beni culturali è la cosiddetta linea a fascio estratto in aria (external beam): invece di inserire l’oggetto in una camera a vuoto, il fascio esce dalla linea attraverso una sottile finestra e percorre l’ultimo tratto verso  l’oggetto in atmosfera. Così si possono analizzare oggetti di qualsiasi dimensione, anche fragili, senza prelievi di campione, assicurandosi che l’intensità del fascio sia così bassa da non lasciare segni visibili, si possono eseguire misure completamente non invasive.

Il Laboratorio di tecniche nucleari per l’Ambiente e i Beni Culturali (LABEC) ospitato nella sezione INFN di Firenze e gestito in collaborazione con il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università degli Studi di Firenze, dispone di linee di fascio dedicate ai beni culturali e collabora da anni con Musei, Soprintendenze e Istituti di restauro. Operativo dal 2004 il LABEC è dotato di un acceleratore elettrostatico Tandetron da 3 MV ed è tra i pionieri dei fasci estratti in aria.

Il punto di forza è l’approccio detto Total-IBA: PIXE, PIGE e RBS/EBS vengono eseguite insieme sullo stesso punto e si completano a vicenda. Inoltre, cambiando l’energia del fascio (PIXE differenziale), per esempio da 3 a 1 MeV, si possono sondare profondità diverse per ottenere informazioni stratigrafiche, particolarmente utili nei dipinti, dove i pigmenti sono stesi in strati sovrapposti.

Nello studio delle opere d’arte è fondamentale la collaborazione con Musei e Istituti che si occupano di conservazione.

La collaborazione con l’Opificio delle Pietre Dure di Firenze, per esempio, ha portato negli anni a studiare, con l’acceleratore del LABEC, capolavori come il Ritratto Trivulzio di Antonello da Messina, la Madonna con Bambino di Mantegna e la Madonna dei Fusi di Leonardo. Questo tipo di analisi è però limitato dalla difficoltà/’impossibilità di trasportare i capolavori in laboratorio, operazione che comporta notevoli rischi in termini logistici, di costi e di salvaguardia dell’opera stessa. Per questo, negli ultimi anni, la maggior parte delle analisi è stata svolta direttamente nei laboratori dell’Opificio con strumentazione portatile basata su raggi X (Fluorescenza a raggi X) sviluppata dalla sezione di Firenze. Questa strumentazione non ha ovviamente la “potenza” di un acceleratore di particelle, ma rappresenta un buon compromesso per fornire informazioni senza dover spostare l’opera.

MACHINA: un acceleratore portatile per i beni culturali

Per permettere di avere prestazioni paragonabili a quelle degli acceleratori installati nei laboratori di fisica, ma senza dover trasportare le opere, l’INFN e il CERN, insieme all’Opificio delle Pietre Dure, hanno sviluppato il progetto MACHINA (Movable Accelerator for Cultural Heritage In-situ Non-destructive Analysis).

MACHINA è il primo acceleratore trasportabile di particelle dedicato allo studio, mediante tecniche IBA, dei beni culturali. È costituito da una cavità accelerante a radiofrequenza lunga circa un metro, basata su quadrupolo a radiofrequenza.

Il suo ingombro e peso ridotti e la bassa potenza assorbita lo rendono uno strumento adatto ad essere installato anche in ambienti ben diversi da un laboratorio di fisica, come ad esempio un laboratorio di restauro. MACHINA sarà quindi installato presso l’Opificio delle Pietre Dure, in cui potrà analizzare le molte opere “ricoverate” durante il restauro.

Da qui, proprio per le caratteristiche appena descritte, MACHINA potrà anche essere trasportato in musei e siti di conservazione per raggiungere opere inamovibili o troppo fragili.

MACHINA accelera un fascio pulsato di protoni fino a 2 MeV, pesa complessivamente meno di 1500 kg e ha un ingombro inferiore ai 10 m². Assorbe una potenza inferiore a 15 kW ed è operativo in circa un’ora dall’accensione.

Sicuro in termini di radioprotezione, grazie a soluzioni che permettono di contenere moltissimo la radiazione prodotta dall’impatto del fascio sui materiali analizzati, rivoluzionerà le tecniche di analisi in situ.

Spettrometria di massa con acceleratore per datare i beni culturali

Il metodo di datazione al radiocarbonio si basa sulla misurazione del carbonio-14, un isotopo radioattivo presente  nei materiali organici. La spettrometria di massa con acceleratore (AMS) permette di misurare la concentrazione residua di radiocarbonio minimizzando la massa di campione da analizzare e ottenendo risultati in tempi brevi.

Questo tipo di analisi richiede il prelievo di un campione, anche se di massa molto ridotta (decine di milligrammi), in genere non compromettendo l’integrità dell’oggetto. Sono adatti alla datazione tutti i materiali organici, come per esempio  frammenti di tessuto vegetale o animale, frammenti di legno e carbone, carta o pergamena. In diversi siti INFN esistono laboratori dedicati alla tecnica AMS attivi anche in ambito archeologico e storico-artistico.

Un’applicazione particolare della datazione con AMS consiste nell’analisi di manufatti contemporanei. Un caso emblematico è quello di Contraste de formes, dipinto attribuito a Fernand Léger e conservato alla Collezione Peggy Guggenheim di Venezia, sospettato di falsità fin dall’acquisto negli anni Sessanta e mai esposto. Il LABEC, insieme all’INFN di Ferrara, ha datato un campione prelevato dal bordo posteriore della tela: il risultato indica un’epoca posteriore al 1959, data successiva alla morte di Léger, avvenuta nel 1955.

 

La luce di sincrotrone

Un sincrotrone è un acceleratore in cui gli elettroni vengono accelerati lungo un percorso circolare. Curvando sotto l’azione di campi magnetici, gli elettroni emettono una radiazione estremamente intensa e ben collimata con lunghezza d’onda che va dall’infrarosso ai raggi X. Sfruttando l’intensità elevatissima di questa luce, si riescono a realizzare esperimenti impossibili con sorgenti convenzionali.

Le applicazioni ai beni culturali sono:

• Fluorescenza X e mappe elementari: per vedere come sono distribuiti i diversi elementi su un’intera superficie dipinta e riconoscere pigmenti e tracce di stesure sottostanti.
• Spettroscopia di assorbimento e diffrazione di raggi X: per capire non solo quali elementi sono presenti, ma anche in quale forma chimica e cristallina, informazione essenziale per interpretare i processi di degrado.
• Tomografia a raggi X ad alta risoluzione: per esplorare l’interno di oggetti fragili come fossili, reperti archeologici e manufatti compositi senza aprirli.

Sebbene la luce di sincrotrone venga oggi prodotta principalmente in strutture dedicate, essa è intrinsecamente legata alla fisica delle particelle accelerate su traiettorie curve. Per questo motivo, può essere raccolta e sfruttata anche in macchine nate con scopi diversi.

Un caso emblematico di questa sinergia è il laboratorio DAFNE-Luce dei Laboratori Nazionali di Frascati. DAFNE, infatti, nasce originariamente come collisore per lo studio della fisica delle alte energie, tuttavia, gli elettroni e i positroni che viaggiano ad altissima velocità nei suoi anelli emettono una radiazione di sincrotrone che viene utilizzata per ricerche interdisciplinari, incluse le applicazioni all’avanguardia sui beni culturali.

Un caso recente riguarda il restauro del dipinto Spitz-Rund (1925) di Wassily Kandinsky dove è stata rimossa una vernice non originale, identificata come resina chetonica, probabilmente applicata dagli anni Cinquanta in poi, in sostituzione delle resine naturali e responsabile di aver alterato la brillantezza voluta dall’artista. L’intervento, nato dalla collaborazione tra la GAMeC di Bergamo, il Centro Conservazione e Restauro “La Venaria Reale” e il Dipartimento di Chimica dell’Università di Torino, è stato preceduto da prove su campioni che riproducevano la tecnica e la stratigrafia del dipinto. Il contributo del laboratorio DAFNE-Luce ha riguardato le analisi di spettroscopia FT-IR in riflessione, eseguite con strumentazione portatile prima e dopo la pulitura. I dati hanno confermato la completa rimozione della resina e il ritorno alla vista del legante originale, confermando come fisica e restauro possano lavorare insieme per definire protocolli efficaci e sicuri anche sulle opere contemporanee.

La rete CHNet

Tutte le attività descritte sopra sono svolte nell’ambito della rete INFN-CHNet (Cultural Heritage Network), che coordina le iniziative e i progetti dell’INFN sul patrimonio culturale. Per una maggiore efficienza nella risposta ai quesiti posti dagli operatori del settore, quali archeologi, storici dell’arte, restauratori e conservatori, la rete si configura come una infrastruttura multidisciplinare, che include al suo interno enti con competenze complementari a quelle dell’INFN, quali importanti laboratori di restauro, dipartimenti universitari e musei. Nel complesso, la rete comprende più di 20 gruppi di ricerca e istituzioni culturali italiani e internazionali.  

La rete è impegnata in molteplici attività, che riguardano:

Analisi: insieme agli operatori del settore, i ricercatori della rete mettono a punto e applicano le metodologie migliori per rispondere ai quesiti che riguardano manufatti e reperti di interesse storico-artistico.

Ricerca: costituisce un pilastro fondamentale per la rete, che promuove studi interdisciplinari che combinano tecniche scientifiche avanzate con le esigenze della comunità dei beni culturali, favorendo lo sviluppo di nuovi strumenti analitici, metodologie innovative e soluzioni digitali.

Comunicazione e outreach: la comunicazione delle attività della rete avviene attraverso il sito web e partecipando a fiere ed eventi nel settore. CHNet organizza corsi di formazione ed eventi di divulgazione per studenti, giovani ricercatori e operatori dei Beni Culturali.

La ricerca di base per i beni culturali

L’incontro tra fisica delle particelle e beni culturali è un esempio riuscito di collaborazione tra discipline, che sfrutta lo sviluppo di tecniche e strumentazione per la salvaguardia del patrimonio storico-artistico. Gli acceleratori permettono di leggere la storia scritta dentro la materia stessa: negli atomi di un pigmento, nelle impurità di una gemma, nella proporzione di un isotopo, rispettando l’integrità di un’opera d’arte o manufatto. Le tecniche e gli strumenti a disposizione sono molteplici e permettono di effettuare analisi non invasive o micro-distruttive, restituendo risposte nascoste dal tempo e preservando il patrimonio storico-artistico per le generazioni future.