EXTREME ENERGY EVENTS

Fisica ad alto contenuto energetico

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

di Silvio Mazzucco, Marco Caushi, Matteo Pettini e Denny Locorriere (4B – Liceo Scientifico Roiti di Ferrara – anno 2017

Le basi fisiche di Extreme Energy Events

Il progetto Extreme Energy Events (EEE), organizzato dal Centro Fermi di Roma, in collaborazione con il CERN di Ginevra nasce da un’idea del Prof. Antonino Zichichi e fu presentato al CERN il 3 maggio 2004. L’inaugurazione è avvenuta il 26 marzo 2006 con l’adesione di 7 scuole pilota (tra cui il Liceo Galvani di Bologna), dopo l’ approvazione del MIUR.

Si tratta di un vero e proprio esperimento scientifico pensato dal noto fisico italiano con l’obiettivo di coinvolgere, oltre a fisici e docenti, il maggior numero di studenti di tutta Italia.  Attraverso la pratica sperimentale, la fisica delle alte energie avrebbe potuto finalmente arrivare a ragazzi di 16-17 anni; insieme alla responsabilità affascinante di poter contribuire alla ricerca mondiale nel settore.

L’espressione “Eventi di Energia Estrema”, allude al mondo misterioso dei raggi cosmici, ossia a quelle particelle di origine estraterrestre che arrivano a collidere con l’atmosfera del nostro pianeta dopo essere state ‘accelerate’ in luoghi remoti del cosmo, si presume durante giganteschi collassi gravitazionali come quelli che avvengono nei resti delle supernove o durante l’accrescimento dei buchi neri posti al centro delle galassie a spese della materia circostante.

In questi acceleratori naturali parte dell’energia potenziale gravitazionale in gioco viene ceduta a determinate particelle subatomiche sotto forma di energia cinetica, con cui esse si proiettano nello spazio viaggiando per milioni di anni luce prima di interagire con l’atmosfera terrestre.   Tali particelle, appunto i raggi cosmici (per il 89% nuclei di elio – cioè particelle alfa, per il 9% nuclei di idrogeno, cioè protoni, per l’1% nuclei di elementi pesanti e per lo 0,1% raggi γ, cioè fotoni di altissima frequenza), sono dotati di livelli di energia generalmente superiori a 109 eV (cioè 1 Giga elettronvolt o GeV), ma possono raggiungere addirittura i 1020 eV, che corrisponde all’energia cinetica di una palla da baseball lanciata a 100 km/h.  Quindi dieci milioni di volte più potenti rispetto ai fasci di particelle estratti dall’acceleratore LHC del CERN di Ginevra.

I raggi cosmici, la cui scoperta avvenne negli anni precedenti la Grande Guerra in modo indipendente da parte dell’austriaco Victor Hess (premio Nobel nel 1936) e dell’italiano Domenico Pacini, sono stati fino al 1950, cioè prima della costruzione dei grandi acceleratori di particelle, la sorgente principale di particelle di alta energia per lo studio della fisica delle particelle elementari.

Una tavola che mostra lo shower di particelle come conseguenza dell’impatto di un raggio cosmico primario con l’atmosfera – rivista “Coelum – Astronomia” nr. 211/2017

Allorchè giungono in prossimità della Terra, i raggi cosmici propriamente detti o primari collidono con gli atomi degli elementi che formano la sua atmosfera, creando veri e propri sciami di particelle (chiamate raggi cosmici secondari).

Le particelle che compongono questi sciami decadono di norma immediatamente, ma per quelle che viaggano a velocità vicine a quella della luce il tempo di vita si dilata, per effetto della legge della relatività di Einstein, e sono quindi in grado di raggiungere opportuni rilevatori al suolo.   E’ il caso dei muoni, particelle cariche circa 200 volte più pesanti di un elettrone e molto più energetiche.

Perchè sono state coinvolte le Scuole

I muoni cosmici trasportano essenziali informazioni sulla configurazione dello sciame d’origine come:

  • apertura angolare
  • molteplicità
  • energia
  • punto di produzione

La rilevazione dei muoni al suolo e la loro analisi strumentale costituisce uno dei metodi principali per lo studio dei raggi cosmici.  Valori sperimentali precisi sul tempo di volo di un muone (ossia il tempo, misurato in ‘picosecondi’, da esso impiegato per attraversare il rilevatore) permettono di estrapolare la velocità, l’energia e il verso di provenienza della particella.   Con l‘obiettivo di ricostruire le caratteristiche di un intero sciame e dunque, seppure indirettamente, le caratteristiche del raggio cosmico primario che lo ha generato.

In particolare, Extreme Energy Events intende studiare i raggi cosmici di Estrema Energia o EECR, aiutando gli scienziati a capire quali siano i punti dell’atmosfera terrestre interessati da un flusso maggiore di questi raggi così potenti.

E l’importanza di questo tipo di analisi non riguarda solo l’astronomia, dove capire l’origine dei raggi cosmici primari (soprattutto EECR) aiuta a svelare quali immani fenomeni siano avvenuti in quell’universo dal cui remoto passato – è sempre il caso di ricordarlo – i raggi cosmici provengono, ma anche molti altri ambiti della scienza.  Vi sono ad esempio i tanti studi che provano a correlare il flusso dei raggi cosmici rispetto alla Terra con le modificazioni climatiche di lungo periodo oppure, con le modificazioni genetiche e ancora, più pragmaticamente, con le interferenze nelle telecomunicazioni; fattore fondamentale di sviluppo della società contemporanea.

I raggi cosmici primari di energia relativamente bassa, che sono piuttosto comuni, possono essere identificati tramite rilevatori posti al di sopra dell’atmosfera, ma gli EECR sono relativamente rari – si parla di un’astroparticella incidente all’anno per ogni km² – e il loro studio non può avvenire nello spazio perchè sarebbe necessario avere rilevatori di dimensioni tali da non poter essere posti sui satelliti.  Per conoscere le caratteristiche dei raggi cosmici primari EECR  bisogna dotarsi di una rete di rilevatori di muoni sul suolo terrestre, rete che dovrà essere il più possibile estesa, perchè quanto più è energetica l’astroparticella primaria incidente, quanto più è ampio lo sciame che genera.

Simulazione al calcolatore – presentata da Antonino Zichichi in una conferenza a Bologna nel 2012 – di uno sciame cosmico generato in alta atomosfera (15 km di quota) da un protone comico primario avente un’energia di 100 milioni di miliardi di elettronvolt.  Al suolo arrivano un milione di muoni (puntini rossi) che si distribuiscono su un area grande quanto il centro di Bologna. Crescendo le energie in gioco a livello dei raggi cosmici primari incidenti l’atmosfera, è prioritario estendere la rete di rilevazione per l’identificazione dei muoni e la descrizione dei fenomeni a monte: questa è tuttora la ratio scientifica di Extreme Energy Events

Inoltre, se i muoni che in ogni secondo attraversano i nostri corpi sono moltissimi, sono pochi i muoni che giungono nello stesso momento in posti diversi, provenendo dall’impatto con l’atmosfera di una medesima astroparticella.  Per identificare questi muoni “figli di uno stesso padre” è fondamentale un’interazione fra le stazioni di rilevamento che arrivi, attraverso l’uso di sistemi GPS, a determinare se gli eventi rilevati dai rispettivi apparecchi discendano o meno da uno stesso evento primario ad energia estrema.

L’idea di coinvolgere le Scuole nel progetto Extreme Energy Events è nata perchè esse costituivano dei presidi diffusi sull’intero territorio italiano e ospitavano insegnanti laureati in grado di gestire nutriti team di potenziali ricercatori: i loro studenti !

Come si svolge il progetto con un occhio al Liceo Marconi di Parma

Per quanto riguarda le modalità, entriamo più nello specifico nel progetto; è qui che, in primis, entrano in gioco gli studenti.

Totale del rilevatore di muoni MRPC installato al Liceo Marconi di Parma nel 2015

Per osservare e tracciare i raggi cosmici secondari sono necessari particolari ‘telescopi rilevatori’ (i responsabili dell’EEE hanno scelto il tipo identificato dall’acronimo M.R.P.C.) e sono proprio i ragazzi che li hanno costruiti interamente presso il laboratori del CERN di Ginevra !  Naturalmente dopo che la loro scuola ha aderito al progetto. E si tratta di più di cinquanta istituti superiori in tutto il territorio nazionale

Già qui risulta evidente l’apporto che un’esperienza di questo genere può garantire alla formazione di uno studente: un’intera settimana viene passata a stretto contatto con dottorandi provenienti da ogni parte del mondo – oltre che con ricercatori del CERN – lo stesso ambiente del CERN, come ci ha testimoniato lo studente di Parma Francesco Lorenzi, appare come:

“… estremamente stimolante sia scientificamente, che socialmente, che culturalmente”.  E ancora:

“… si tratta di un’esperienza che consiglio, per entrare in contatto con il mondo della fisica di frontiera, che non viene mai considerata a scuola”.

In seguito il rilevatore, accuratamente costruito, viene trasportato nelle sedi scolastiche ed è qui che si entra nel vivo dell’esperienza; le varie fasi del progetto infatti sono strettamente correlate, in continua evoluzione, e mettono gli studenti al lavoro quotidianamente, come ci ha spiegato la Prof.ssa Marconi referente del progetto al Liceo Scientifico “Guglielmo Marconi” di Parma, dove Extreme Energy Events è stato attivato nel 2015 e che lei ha seguito fin dall’inaugurazione del ‘telescopio’.

Tutti i giorni, quando il rilevatore è modalità di acquisizione dati (periodi chiamati ‘Run’, coordinati tra le varie scuole), è la docente Marconi che si dedica per una mezz’ora circa alla sua gestione, ma gli studenti non se ne stanno certo con le mani in mano !   Le cose da fare sono numerose e a loro spettano:

  1. il calcolo dell’angolo rispetto al nord (con riferimento alla traiettoria delle particelle che giungono allo strumento),
  2. la regolare compilazione dell’Elog,
  3. la manutenzione del telescopio e del luogo in cui risiede (es: l’aggiunta di un deumidificatore),
  4. la partecipazione ai run coordination meeting
  5. la elaborazione dei dati ottenuti dal telescopio/rilevatore.

L’attività 1) serve, tramite il calcolo dell’inclinazione del telescopio, per capire da che zona del cosmo giungono i raggi cosmici e viene effettuato con l’ausilio di un tecnico specializzato;

L’attività su Elog al punto 2) riguarda la compilazione del foglio elettronico che serve al centro Fermi per avere una visione generale di come procede il lavoro nelle scuole di tutta Italia, ed ottenere informazione riguardo ai telescopi: se sta acquisendo dati (in caso negativo, da quanto tempo è offline), se è nelle condizioni ottimali ecc.. Il form è accessibile a chiunque attraverso il link https://www1.cnaf.infn.it/eee/monitor e, in generale, indica quindi lo stato di salute del ‘telescopio’.

La manutenzione 3) avviene solo in particolari condizioni in cui il rilevatore o la stanza in cui si trovano ne abbiano il bisogno, ma è comunque da sottolineare come, anche questa operazione, tanto delicata quanto fondamentale, sia di fatto svolta interamente dagli studenti che a questo punto dello svolgersi del progetto sono ormai quantomeno ferrati nel risolvere ogni genere di problema.

I Run Coordination Meeting 4) sono incontri tra le varie scuole a cui partecipa anche il Centro Fermi (come ci ha spiegato direttamente il fisico Dott. Marcello Abbrescia) in cui si incontrano le scuole, 30-40 per volta (se ne sono svolti tre durante il 2016).  Questi meeting durano 2-3 giorni, durante i quali inizialmente i ricercatori del Centro Fermi “raccontano” lo stato del progetto, cosa è stato fatto e quali sono gli obiettivi da raggiungere, oltre a spiegare agli studenti come vadano fatti determinati tipi di analisi.  In questo contesto le varie scuole espongono poi 5) la loro situazione specifica, ovvero la loro elaborazione dati.

Feedback sul progetto da parte degli studenti

Liceo Marconi di Parma: gli studenti protagonisti del progetto Extreme Energy Events accanto al loro ‘telescopio muonico’

Quali sono però, tralasciando l’aspetto tecnico, le emozioni; ciò che prova chi ha già vissuto l’esperienza in prima persona ?   Molto significative sono le parole dello studente Jacopo Elettari, sempre del Liceo Marconi di Parma:

Ho avuto modo di approciarmi in toto al progetto, visto che la professoressa responsabile delega spesso a me e ad un mio amico i compiti riguardanti il progetto , mansioni che noi accettiamo di buon grado. Il rapporto tra la scuola ed il progetto è ottimo, l’istituto è molto fiero di ospitare un progetto di tale importanza; anche per questo è uno dei nostri cavalli di battaglia a “scuola aperta”. I problemi ci sono stati, ma solamente riguardanti il rilevatore mai con l’istituto o docenti. Sinceramente trovo che questi inconvenienti siano parte integrante del progetto e forse anche una delle parti più belle per più motivi: innanzitutto il progetto ha, tra i tanti scopi, quello di approcciare i ragazzi alla ricerca, che non è tutta rose e fiori, ma costellata di problemi che vanno risolti e il bello (e qui arriviamo al secondo motivo) è che a farlo siamo noi studenti. Il rilevatore non è un oggetto museale che rimane lì imbalsamato ed intoccabile, ma è uno strumento che entra a far parte della quotidianità dei ragazzi. Ho partecipato a tutti i run coordination meeting e trovo che siano utili per capire meglio come funziona il rivelatore.  E anche interessanti, in quanto ci vengono comunicati i dati ottenuti dalle nostre rilevazioni. Soprattutto li trovo gratificanti, perché quando sei lì vedi che nei dati c’è anche il tuo di lavoro insieme a quello di molti altri ragazzi e come questo non sia fine a se stesso, ma all’avanguardia nella ricerca scientifica. Personalmente pensiamo che questo progetto dia molti strumenti e metodi propri della ricerca scientifica non ottenibili normalmente da un liceale oltre ad una gratificazione legata al vedere i frutti del proprio lavoro e alle nozioni di fisica avanzata qui apprese.

L’Extreme Energy Events introduce le scuole nel dibattito mondiale sulla fisica dei raggi cosmici

E doveroso citare come, nell’ambito del progetto Extreme Energy Events, il Centro Fermi abbia stretto numerose collaborazioni con altri istituti di ricerca esteri, come ci ha ricordato il Dott. Abbrescia, che abbiamo intervistato.

C’è stata una richiesta da parte di un gruppo di climatologi dell’università di Santiago di Compostela per quanto riguarda le ipotesi di correlazione tra raggi cosmici e mutazioni climatiche; vi è un continuo scambio di informazioni con il Cern, recentemente vi sono stati contatti con gruppi di ricerca con modalità simili in Olanda e Inghilterra, anche se in possesso di apparecchiature meno elaborate: un ambito di ricerca davvero internazionale !

Inoltre avvengono pubblicazioni periodiche su riviste di fisica di livello mondiale (dodici nel 2016 …) in cui si espongono i risultati ottenuti che sono valutati da dei reviewer professionisti. Sporadicamente nelle riviste vengono intervistati docenti e studenti che hanno partecipato al progetto.  I risultati sperimentali ottenuti dalla rete EEE, sono anche presentati in conferenze internazionali (le più importanti nell’ambito della fisica delle alte energie) in cui è prevista anche la partecipazione degli studenti, i quali sono chiamati a presentare i risultati delle singole scuole dobve il progetto è attivo.

Se uniamo questo impressionante resoconto sui riscontri di un’attività svolta dagli studenti davvero ‘nel vivo della scienza’ con il fatto che negli ultimi vent’anni, grazie alla costruzione di rilevatori sempre più sensibili agli EECR la fisica dei raggi cosmici è tornata ad essere un settore di punta nella fisica fondamentale (una delle scoperte più recenti e rilevanti nella fisica delle particelle, cioè che il neutrino ha massa diversa da zero, è stata ottenuta proprio studiando i raggi cosmici …) non possiamo che considerare il progetto, al quale abbiamo dedicato anche una video presentazione, come assolutamente di prim’ordine.

Siti consultati per ricavare le informazioni scientifiche:

Unità di misura utili:

  • 1 KeV = 1.000 eV
  • 1 MeV = 1.000.000 eV
  • 1 GeV = 1.000.000.000 eV
  • 1 TeV = 1.000.000.000.000 eV
  • 1 EeV= 1.000.000.000.000.000.000 eV