Liceo Classico Luigi Galvani  
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La scienza nelle scuole: EEE (Extreme Energy Events)


Referente prof.ssa Paola Giacconi

Ogni giorno, in ogni istante, siamo investiti da una pioggia di particelle elementari provenienti dal cosmo: i raggi cosmici, una radiazione naturale proveniente dagli spazi siderali che continuamente inonda la Terra.

La loro scoperta è giunta in modo totalmente inatteso osservando come si scaricava uno strumento in ventato da Luigi Galvani: il galvanometro. I fisici degli inizi del XX secolo pensavano che la causa di tale fenomeno fosse da ricercarsi nei raggi provenienti dalla Terra: questo perché era da poco stato scoperto il fenomeno della radioattività naturale. I ricercatori dell’epoca decisero tuttavia di effettuare misure a diverse altezze dalla superficie terrestre e rimasero strabiliati quando scoprirono ch e tanto più si andava in alto e tanto più velocemente lo strumento si scaricava: i raggi che scaricavano lo strumento non venivano dalla Terra ma dal cielo, anzi dal cosmo.

La scoperta avvenne, più precisamente, nel 1912 ad opera del fisico austriaco Victor Hess il quale, compiendo misure di ionizzazione nell’alta atmosfera, rivelò per la prima volta i raggi cosmici e ricevette per tale lavoro il premio Nobel per la Fisica nel 1936. Dopo Hess fu Millikan ad interessarsi al fenomeno ed è a lui che si deve il nome raggi cosmici. Egli riteneva che essi fossero principalmente composti da raggi gamma (radiazione elettro-magnetica di alta energia). Fu Compton ad ipotizzare che fossero composti da particelle cariche ed oggi sappiamo che tale ipotesi è corretta.

In Italia, lo studio dei raggi cosmici si sviluppò nella seconda metà degli anni ’20, quando a Firenze, sotto l’egida di Garbasso, si creò un gruppo di fisici che otterrà sull’argomento risultati di grande rilievo. In particolare Bruno Rossi nel 1929 progettò e mise a punto una strumentazione destinata a modificare radicalmente lo studio sperimentale dei raggi cosmici, nonché le teorie sulla loro natura. Le ricerche sui raggi cosmici sviluppate a Firenze e a Padova negli anni ’30 diedero origine ad una tradizione nazionale di ricerca di altissimo livello, che contribuirà in modo essenziale alla rinascita della scienza italiana nel dopo guerra.

Dopo almeno 90 anni di ricerche sui raggi cosmici, la loro origine è ancora una questione aperta e tale incertezza è direttamente proporzionale alla loro energia che può arrivare sino a 50 J, la stessa energia che ha una biglia di 1 kg che cade da una altezza di 5 m o che abbia la velocità di 1 36 km/h. Le particelle elementari hanno però masse dell’ordine di 10-27 g cioè un miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di grammo (m e =9, 1093826(16)×10-31 kg) quindi, per raggiungere l’energia di 50 J, devono muoversi a velocità prossime alla velocità della luce: 300000 km/s (c =299792458 m/s). É questa la velocità della “pioggia cosmica” che in ogni istante della nostra vita ci colpisce!

I raggi cosmici con energie E < 100 MeV hanno una origine solare, mentre per energie superiori, fino E ~ 10 15 eV , la loro origine è extra-galattica e dovuta probabilmente all’esplosione di qualche supernova. Per energie ancora superiori, che possono raggiungere i 10 18 eV, i raggi cosmici vengono chiamati ultra high energy cosmic rays (UHECR) e la comprensione della loro genesi è un problema a tutt’oggi aperto. Sono state formulate varie ipotesi una delle quale afferma che gli UHECR siano la ”cenere” del Big Bang che, viaggiando per milioni e milioni di anni a partire dalle zone più remote dello spazio, ben oltre la Luna, il Sole e le Stelle visibili a occhio nudo, giunge a colpire la terra.

Anche supponendo che tale ipotesi sia corretta, resta comunque del tutto aperto il problema di comprendere come mai raggi cosmici di così alta energia siano potuti giungere in prossimità della superficie terrestre, senza prima perdere gran parte della loro energia attraverso l’interazione con la radiazione cosmica di fondo. Quest’ultima è la radiazione elettromagnetica fossile all’equilibrio termico ad una temperatura di T = 2.73 K, scoperta nel 1967 da Penzias e Wilson, la cui presenza avvalora l’ipotesi del Big Bang. La scoperta della radiazione cosmica di fondo, così come quella dei raggi cosmici, fu casuale e dovuta agli sforzi dei due ingegneri della Bell-Telephone nel tentativo di eliminare un fastidioso disturbo nell’antenna di un radiotelescopio.

La comprensione, quindi, dell’origine e della struttura dello spettro energetico dei raggi cosmici rappresenta, ancora oggi, una delle più avvincenti sfide per la comunità scientifica.

I raggi cosmici primari sono principalmente composti da protoni (p) i quali giunti nell’atmosfera terrestre interagiscono con i nuclei delle molecole di cui essa è composta, dando origine ad un processo a cascata di nuove particelle quali neutroni (n), neutrini (v), pioni (π ±, π 0), p, muoni (µ±, µ0), elettroni (e-), positroni (e+), etc.. É stato proprio lo studio dei raggi cosmici che ha condotto alla scoperta delle antiparticelle e quindi dell’antimateria.

Per rilevare i raggi cosmici primari si debbono usare apparati sperimentali posti su satelliti in orbita i quali riescono a catturare i raggi cosmici prima che essi interagiscano con l’atmosfera. Con questo metodo si possono rivelare i raggi cosmici di energie non troppo elevate. Infatti, all’aumentare dell’energia, il flusso di raggi cosmici diminuisce ed è quindi necessario costruire apparati sperimentali che possano ricoprire una grande superficie e che, per ovvi motivi, non possono dunque essere montati su satellite. Per rilevare i raggi cosmici di elevata energia ´e quindi necessario costruire esperimenti molto estesi sulla superficie terrestre e la superficie dell’esperimento deve essere tanto pi´u grande quanto più elevata è l’energia dei raggi cosmici che si vogliono rivelare. Gli esperimenti terrestri rivelano quindi i raggi cosmici secondari prodotti nell’interazione dei primari con l’atmosfera. Analizzando le caratteristiche dello ”shower” di particelle prodotte si possono ricavare l’energia e la direzione del raggio cosmico primario.

A livello del mare la massima parte della componente elettricamente carica dei raggi cosmici è fatta di muoni. Quindi l’apparato ultilizzato per la rivelazione dei raggi cosmici secondari sarà un rivelatore di muoni che deve soddisfare le seguenti condizioni:

1) deve poter coprire una grande superficie e di conseguenza essere a basso costo;

2) deve essere resistente, ossia capace di operare per molti anni con un minimo di interventi di manutenzione;

3) deve fornire un’efficienza di rivelazione quanto più prossima al 100%;

4) deve consentire la ricostruzione di tracce di muoni cosmici.

Di qui l’idea di costruire dei telescopi per raggi cosmici, camere MRPC (Multigap Resistive Plate Chamber) che possano essere installate nelle scuole cos´i da coprire, in modo uniforme, l’intero territorio nazionale.

Il nostro Liceo è stato scelto come una delle “scuole pilota” in Italia atta a costruire ed ospitare il telescopio MRPC.

Il 26 marzo 2006 è iniziata l’avventura di alcuni dei nostri allievi: M.Giulia Andretta, Camilla Fabbri, Domenico Fiorillo, Eugenia Franchini, Alessandra Pennello e Silvia Polacchini i quali si sono recati, con me ed il Prof. Ivan Poluzzi, presso il CERN di Ginevra, il più grande laboratorio del mondo di fisica delle alte energie, per costruire, insieme ai ricercatori del CERN e dell’ INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) di Bologna, il telescopio MRPC che verrà installato nella nostra scuola all’inizio del prossimo anno scolastico.

Alessandra, Camilla, Domenico, Eugenia, Giulia e Silvia hanno lavorato otto ore al giorno, con scrupolo ed efficienza, hanno imparato come si possa costruire, con materiali di uso comune, uno strumento di altissima precisione che permetterà loro di ”vedere” un universo invisibile anche per il più potente dei microscopi. Hanno imparto a saldare, assemblare, ad effettuare misure di grande precisione ed hanno anche preso coscienza di quanto lavoro, coraggio, pazienza, perseveranza ed entusiasmo ci siano dietro ad un’idea che diventa esperimento. Hanno compreso quanta differenza ci sia tra guardare ed osservare ed hanno loro stessi sperimentato che per comprendere veramente l’universo di cui facciamo parte non ci si può fermare a ciò che si vede ma si deve sempre fare lo sforzo di andare molto oltre a ciò che appare.

Hanno avuto, inoltre, la possibilità di confrontarsi e di lavorare al fianco di ricercatori provenienti da tutto il mondo e lo hanno fatto come se fossero stati ”uno di loro”, così che un altro universo, quello della ricerca scientifica, che per la gran parte dei nostri ragazzi appare lontano e del tutto estraneo alla loro vita, è diventato il giardino di casa loro.

Saranno Alessandra, Camilla, Domenico, Eugenia, Giulia e Silvia ad istruire i compagni che poi si occuperanno, insieme a loro, della registrazione dei segnali che arrivano dal cosmo, della loro rielaborazione, analisi ed interpretazione fisica.

L’avventura della scoperta, per i nostri ragazzi, è appena iniziata e, come loro insegnate, posso sicuramente affermare che questa esperienza li ha profondamente maturati dando loro la possibilità di esprimere le loro potenzialità ed abilità in ambiti molto diversi. Si sono, infatti, evidenziate le loro capacità organizzative, di relazione, di analisi, la loro inventiva: questi giovani hanno studiato non per sostenere un’interrogazione, ma per comprendere ciò che loro stessi stavano costruendo per poi lasciarlo in eredità ai loro compagni più giovani. Sono cresciuti come uomini/donne e cittadini, perché fare ricerca non significa solo voler comprendere un nuovo fenomeno naturale ma prima di tutto voler migliorare se stessi per essere protagonisti attivi e non spettatori passivi del mondo.



Inaugurazione del Telescopio - 12 dicembre 2009


Nel Gennaio 2008 è arrivato nel nostro Liceo il Rivelatore di raggi
cosmici MRPC costruito dai nostri studenti al CERN di Ginevra. Abbiamo impiegato qualche mese per installarlo, metterlo in funzione ed essere quindi in grado di prendere dati da poter analizzare. E' stato un lavoro lungo, faticoso e molto avvincente. Siamo in presa dati già da qualche mese e siamo quindi pronti per l' inaugurazione ufficiale del Telescopio. All' inaugurazione ha presenziato il prof. Antonino Zichichi ideatore e leader del progetto.
Queste le foto di un giorno memorabile che rappresenta solo l'inizio di una bella avventura.

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