BEAMLINE FOR SCHOOLS

Il punto con Markus Joos del CERN e un esempio italiano: il Liceo Onesti di Fermo

di Michele Bolognesi, Alessandro Colombani, Franka Albrahimi (Liceo Scientifico Roiti di Ferrara – 4B anno 2017)

Aree tematiche di riferimento: fisica, tecnologia
Stato attuale del progetto: in essere

“Fun, outstanding, honourable” con queste parole Markus Joos, il project leader del BEAMLINE FOR SCHOOLS, ha descritto in modo inequivocabile una competizione che, da quattro anni a questa parte, coinvolge scuole provenienti da tutto il mondo e che proveremo a descrivere in questo articolo e nella video presentazione da noi realizzata.

Beamline

Una ‘beamline’ non è altro che una cd. “linea di fascio”, ossia un fascio di particelle (elettroni, fotoni … dipende dall’esperimento e dal tipo di particelle che si vogliono studiare sfruttando il fascio per provocare collisioni) che vengono accelerate ad altissima energia da un potente campo elettrico generato da una macchina chiamata ‘acceleratore’.  Aventi in genere l’aspetto esteriore di strutture metalliche di forma cilindrica, queste apparecchiature costose e altamente tecnologiche sono di tipi diversi.  Il più conosciuto tra quelli presenti nei laboratori del CERN è il Large Hadron Collider, un’apparecchiatura addirittura fantascientifica contenuta in un tunnel circolare sotterraneo di 27 km di circonferenza racchiuso a 100m di profondità in un involucro cilindrico di cemento.  LHC permette di estrarre due distinti fasci di particelle che sono fatti scontrare tra loro, mentre l’acceleratore messo a disposizione dei ragazzi che intendono concorrere nel BEAMLINE FOR SCHOOLS proponendo un loro esperimento è l’acceleratore chiamato Proton Synchrotron o PS da cui si estrae invece un singolo fascio (di energia fino a 25 Gev) che viene ‘mandato a sbattere’ contro un bersaglio fisso (fixed target).  Lo scopo è quello di ottenere per collisione, da un fascio primario accelerato, delle particelle secondarie la cui identità o comportamento o potenzialità possa venire studiata in un esperimento.  Nel caso del BEAMLINE FOR SCHOOLS un esperimento pensato dagli studenti e attuato o mediante le apparecchiature messe a disposizione dal Cern o anche mediante strumenti costruiti … nella loro scuola !

La storia del progetto

Il Cern è il più grande laboratorio al mondo di fisica delle particelle.  Sogno di molti, ma accessibile soltanto da un’élite di fisici provenienti da tutti gli angoli della Terra.  E con BEAMLINE FOR SCHOOLS il Cern apre le porte a giovani meritevoli di tutto il mondo.

Non è la prima volta che il Cern offre la possibilità di conoscere il proprio centro di ricerche alle nuove generazioni.  Vi sono infatti progetti come le “School Lab sessions” o mezze giornate in cui si può visitare la struttura. Durante le “School lab sessions” i visitatori hanno l’opportunità di compiere piccoli esperimenti con la supervisione di esperti. Inoltre, a piccoli gruppi di studenti è data anche la possibilità di passare da una a quattro settimane presso il Cern svolgendo un internato, durante il quale ci si può immedesimare completamente nel ruolo di fisici e aver libero accesso alle risorse e a i mezzi più avanzati in campo fisico. Ciò nonostante BEAMLINE FOR SCHOOLS rimane uno dei progetti che ha riscontrato più successo sinora. Questo è dovuto in parte anche allo spirito di competizione e di orgoglio nazionale che infonde tale progetto, e che ha spinto a gareggiare lealmente tra loro centinaia di scuole provenienti dalle nazioni più disparate.  Inoltre, in aggiunta allo spirito di competizione, ciò che prevale davvero negli studenti è il desiderio di scoprire e di mettersi alla prova al di fuori dell’ambito scolastico.

Per esempio, nell’edizione del 2016, la quarta del suo genere, ben 150 scuole hanno partecipato al progetto, tra cui 20 provenienti dall’Italia. Tra i venti gruppi semifinalisti a livello mondiale si è piazzato il team TCO-4ASA del Liceo “Onesti” di Fermo, che ha conseguito tale risultato proponendo un esperimento per testare il funzionamento di un rilevatore Cherenkov costruito in economia.

Il BEAMLINE FOR SCHOOLS è stato pensato intorno alla metà della prima decade dei 2000 da Christoph Rembser, un fisico facente parte del pool di esperti dell’esperimento ATLAS.    

Christoph Rembser

Esso, però, venne messo in pratica solamente nel 2014 (ma si veda qui il filmato della conferenza stampa in italiano del 10 dicembre 2013).   Inizialmente, era stato concepito per essere un evento unico, ma visto il successo riscosso, divenne un evento annuale.   Il progetto è sostenuto finanziariamente sia dal Cern stesso che da vari donatori, tra i quali si contraddistingue la compagnia Arconic.

Markus Joos

 

A capo del progetto c’è attualmente il fisico ed esperto in programmazione di software Markus Joos, del quale abbiamo apprezzato la grande disponibilità e con il quale abbiamo avuto il piacere di avere un colloquio: abbiamo intrattenuto così una videochiamata tramite Skype con i computer forniti dal nostro istituto scolastico. Un’ora di proficua interazione con uno dei maggiori responsabili dell’istituto Cern di Ginevra che ci ha permesso di avere uno sguardo dall’interno. Egli, da oltre 20 anni, lavora presso il Cern, è il responsabile generale del progetto, occupandosi di mansioni quali l’organizzazione della logistica che permette lo svolgimento dell’evento e partecipando anche alla selezione dei vincitori.

L’obiettivo di questo progetto è quello di favorire l’interesse per la fisica, e per la scienza in generale, tra gli studenti dei licei di tutto il mondo, al fine di sopperire alla mancanza di una generazione di nuovi fisici. Grazie a tale esperienza, studenti di tutto il mondo hanno l’opportunità di mettere in pratica un esperimentoda loro ideato e testato precedentemente presso le loro scuole nei laboratori del Cern. Essi possono così sfruttare le potenzialità offerte dalla linea di fascio presente in tale istituto e osservare risultati altrimenti negati ad esperimenti limitati all’ambiente scolastico.

Ma come funziona veramente BEAMLINE FOR SCHOOLS ?

L’evento viene pubblicizzato sia sul sito http://cern.ch/bl4s che sui social media quali Facebook e Twitter, attraverso i quali le scuole possono mettersi in contatto e ottenere informazioni al riguardo. Le scuole possono poi registrarsi a tale progetto dal mese di luglio sino a marzo. Durante tale periodo devono provvedere a ideare un loro personale progetto, rilevante nel campo della fisica, e provvedere alla stesura di una relazione di massimo 1000 parole e un video di circa un minuto (entrambi solo in inglese).  Qui il video postato dai ragazzi del team TCO-4ASA del Liceo ‘Onesti’ di Fermo per la competizione del 2016 e che accompagnava il progetto del loro esperimento.

Nel mese di giugno il CERN provvederà a rivelare i nomi dei 10-20 vincitori che avranno diritto a una maglietta targata BL4S (BeamLine For Schools) e ad un rivelatore di raggi cosmici “Cosmic-Pi” per la loro scuola, oltre alla possibilità̀ di visitare uno dei laboratori di fisica delle particelle del proprio Paese.

Tra i semifinalisti verranno selezionati due team (cioè i team vincitori), che potranno recarsi in visita al CERN per fare i loro esperimenti, preferibilmente a settembre. I suddetti sono selezionati da una commissione di quattordici fisici sulla base di criteri come il tempo di realizzazione, la rilevanza del progetto nel campo della fisica e l’originalità della presentazione. E’ stato constatato come il tempo medio per l’ideazione di tale progetto, la concretizzazione di esso e la sua rielaborazione sia di ventiquattro ore.   I vincitori hanno così l’occasione unica di lavorare al CERN una settimana come veri e propri fisici professionisti.  Una volta giunte a destinazione, le due classi vengono suddivise in 4 gruppi che lavoreranno separatamente, al fine di favorire collaborazione anche tra studenti provenienti da scuole e paesi differenti.

Il primo giorno i gruppi vengono istruiti sulle norme comportamentali per garantire la sicurezza all’interno della struttura nella quale lavoreranno nei giorni seguenti della settimana. Markus Joos ha evidenziato come gli studenti vengano considerati come veri e propri professionisti nel loro campo. Gli studenti sono tuttavia sempre accompagnati e osservati da uno o due fisici esperti del CERN che potranno aiutarli e indirizzarli nel caso di dubbi e domande, oltre ad assicurarsi che il tutto avvenga nella massima serietà e sicurezza. Potranno così portare a termine i loro esperimenti con le tecnologie migliori nel settore.

Modalità di realizzazione del progetto

Nel caso in cui, per il set-up legato all’esperimento che sottopongono ad approvazione, i partecipanti abbiano necessità di introdurre qualche apparecchiatura esterna (ad esempio un rilevatore di particelle da loro realizzato) sono invitati a utilizzare per essa di materiali di uso comune, reperibili facilmente a basso costo.

E’ però inevitabile che gli studenti, per concepire un esperimento che renda giustificabile l’impiego di una linea di fascio del Cern, debbano essere coadiuvati da insegnanti e/o fisici professionisti, sia che l’esperimento proposto riguardi la fisica delle alte energie, la fisica applicata ai materiali o la fisica nucleare.  E’ il caso di due anni fa, quando un gruppo di studenti, provenienti dal Sud Africa, riuscì ad assicurarsi la vittoria grazie a un’idea partorita dalla loro insegnante di fisica, anche se non sempre sono i docenti i protagonisti.  Infatti, come ci ha riportato Markus Joos, un anno fa, in Inghilterra, fu un gruppo di studenti a prendere l’iniziativa di proporsi alla competizione, riunendosi nelle ore di pausa pranzo e concependo un progetto tale da essere premiato come il migliore, portandoli alla vittoria.

Un caso italiano

Il team TCO-4ASA del Liceo Onesti di Fermo, che ha partecipato al BEAMLINE FOR SCHOOLS nel 2016

Abbiamo avuto il piacere di poter parlare con alcuni studenti del sopracitato Liceo “Onesti” di Fermo, i quali si sono dimostrati molto disponibili nei nostri confronti.  Hanno sottolineato come sia stata un’esperienza utile, interessante ed estremamente formativa, in particolar modo per studenti dei Licei, molto vicini ad ambiti come quello della fisica grazie agli studi condotti in classe:

 “Lo rifarei !  Inviterei chiunque a fare quell’esperienza !   Per un ragazzo che deve ancora scegliere il proprio percorso, una giornata come questa, passata come un piccolo scienziato, è bellissima.  Capisci come quello che studi a scuola può essere applicato nella realtà.  Ci si rende conto veramente di quanto lavoro ci sia dietro ad ogni scoperta scientifica, anche di piccolo calibro”.

Queste sono le testuali ed entusiastiche parole di Aurora De Paolis, una delle studentesse che abbiamo contattato e che ha ringraziato l’insegnante di fisica Prof.ssa Maria Rita Felici per essersi informata sul progetto, ottenendo l’approvazione del Consiglio di Istituto per poter avviare questa attività extracurricolare.

La caratteristica ‘luce di Cherenkov’ così come si vede all’interno di un reattore nucleare. E’ dovuta alle particelle Beta – in pratica elettroni – che vengono emesse durante le disintegrazioni nucleari che avvengono nell’uranio che forma il combustibile del reattore, durante il processo di fissione

Il progetto del Liceo “Onesti” era incentrato sulla costruzione di un rilevatore Cherenkov, strumento utilizzato per rilevare, tracciare e identificare particelle prodotte dalla radiazione cosmica.  L’effetto Cherenkov (scoperto nel 1934 dal fisico russo Pavel Alekseevic Cherenkov) consiste nell’emissione di radiazione elettromagnetica quando una particella carica elettricamente attraversa un mezzo materiale a una velocità superiore a quella della luce in tale mezzo (pur rimanendo inferiore a C, cioè alla velocità della luce nel vuoto).  Esso è uno dei fenomeni più largamente utilizzati nel campo della fisica delle particelle, in particolar modo nel settore delle alte energie.  Si parla di radiazione Cherenkov quando il mezzo attraversato non è “trasparente” alla luce visibile.  I metodi di rilevazione ed identificazione di particelle che sfruttano tale effetto sono numerosi; tuttavia in ciascuno di essi è di fondamentale importanza il materiale utilizzato come radiatore, ossia il mezzo che è attraversato dalle particelle e che emette la radiazione Cherenkov.  A seconda delle caratteristiche fisiche di questo, infatti, variano i due parametri basilari usati per riconoscere e distinguere le particelle, vale a dire l’angolo di emissione della radiazione θc e il numero di fotoni emessi N.

All’ideazione e progettazione di un progetto di tale portata non hanno collaborato unicamente gli alunni e l’insegnante Felici: essi hanno potuto contare sull’aiuto di alcuni ex alunni che lavorano in un campo nel quale conoscenze fisiche sono altamente richieste. Tra questi ultimi, in particolare, erano presenti anche due giovani ricercatori cioè Paolo Francavilla del LPNHE di Parigi e Evaristo Cisbani dell’Istituto Superiore di Sanità di Roma.

Nonostante la scarsa disponibilità di risorse messe a disposizione dalla scuola, gli studenti, con la loro buona volontà e con l’aiuto e il supporto di persone esterne alla scuola, sono riusciti a costruire un elementare rilevatore Cherenkov con le carte in regola per funzionare.  Presentando il suo progetto, il team della 4ASA del Liceo “Onesti” di Fermo si è piazzato tra i 20 semifinalisti dell’edizione 2016, ottenendo il privilegio, unico tra i 6 team italiani arrivati alla semifinale, di vebnire invitato, il 22 settembre 2017 all’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Frascati (INFN), per tentare di verificare l’efficienza del proprio prototipo di rilevatore Cherenkov.

Il rilevatore Cherenkov con cui il Liceo Onesti si è presentato nuovamente alla competizione del CERN nel 2017

Purtroppo però la linea di fascio del LINAC dell’acceleratore DaFne di Frascati non è stata disponibile per un tempo sufficiente a completare l’esperimento programmato e, a testimonianza dell’entusiasmo che si è creato a Fermo per l’impresa del team della BEAMLINE FOR SCHOOLS 2016, i compagni più piccoli hanno deciso di raccogliere l’eredità dei più grandi rinnovando la sfida e ripresentandosi, con un progetto di rilevatore Cherenkov migliorato, alla BEAMLINE FOR SCHOOLS 2017 !

Ecco il video di presentazione del nuovo team TCO-ASA  e anche, per capire il livello di serietà e impegno richiesto anche solo per poter compiere il primo passo, il progetto Pdf inviato dal team di Fermo a Ginevra.

Il futuro del BL4S

Uscendo dal panorama italiano, pare naturale porsi la domanda su come procederà questo progetto e se avrà ancora spazio nel futuro, visti i tanti progetti scientifici per le scuole che sono in circolazione.  Noi crediamo di sì. Abbiamo tratto tale conclusione attraverso la constatazione dell’entusiasmo con cui è stato recepito non solo dagli insegnanti, ma soprattutto dagli alunni, che si sono mostrati colpiti e soddisfatti di poter imparare divertendosi.

Inoltre va sottolineato l’impegno del CERN stesso, che si propone di continuare in questa sua attività e di provvedere unicamente ad una delocalizzazione durante il biennio 2018-19, durante il quale l’istituto di ricerca nucleare dovrà fermarsi per lavori di manutenzione.  Ma ciò che veramente ha reso questo progetto un vero successo è stato sia la sua componente internazionale – si pensi solo che vi sono scuole provenienti dal Brasile, dal Canada, dall’Australia, o dalla Russia – sia il fatto che offre l’occasione di vedere la struttura del CERN dalla stessa prospettiva di coloro che ci lavorano: cosa c’è di meglio per amanti della fisica ?

Bibliografia

Fabio Colamaria, “L’effetto Cherenkov nella fisica particellare delle alte energie”, Tesi di laurea discussa alla facoltà di fisica, Università di Bari, relatore: Prof. Domenico Di Bari