Extreme Energy Events (EEE) – La Scienza nelle Scuole

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Il Progetto Extreme Energy Events (EEE) è un progetto congiunto tra CREF e INFN. Si tratta di un esperimento scientifico per lo studio della radiazione cosmica secondaria al suolo orientato alla diffusione scientifica nelle scuole superiori. La peculiarità del progetto EEE è la sua estensione geografica visto che i rivelatori sono distribuiti su tutto il territorio nazionale. EEE è anche il più grande esperimento al mondo, per superficie, basato sulla tecnologia delle Multi-Gap Resistive Plate Chambers (MRPC). La caratteristica che rende unico il progetto è rappresentata proprio dal coinvolgimento delle scuole e degli studenti che sono direttamente coinvolti nelle diverse fasi del progetto.

Attualmente la rete EEE è costituita da 59 telescopi, ciascuno formato da tre rivelatori MPRC (disposti uno sopra l’altro a distanza di 50 cm) finalizzati al tracciamento della radiazione cosmica. Le camere MRPC sono costruite al CERN da squadre di docenti e studenti, e installati in Istituti scolastici superiori, Università ed Enti Pubblici di Ricerca (CREF, Sezioni INFN), distribuendosi su tutto il territorio italiano. I dati acquisiti dai singoli telescopi permettono di studiare le caratteristiche del flusso locale dei raggi cosmici secondari; in particolare, consentono lo studio delle variazioni del flusso in funzione di parametri ambientali come la temperatura o la pressione atmosferica, così come variazioni associate a eventi solari, effetti di assorbimento dovuti a ostacoli circostanti o più lontani (ad esempio la Luna o il Sole), l’effetto di asimmetria est-ovest.

 

 

 

 

 

 

 

Figura 1: Visualizzazione dei raggi cosmici. Immagine realizzata dalla NASA.

I telescopi del Progetto EEE sono dotati di un sistema di sincronizzazione temporale che permette di associare ad ogni raggio comico rivelato un tempo assoluto. Grazie alla sincronizzazione dei telescopi è possibile ricercare eventi in coincidenza tra stazioni a distanze sino a qualche km l’una dall’altra, ai fini dello studio degli sciami atmosferici estesi. La distribuzione sul territorio dei rivelatori, organizzata in cluster o in stazioni singole, fornisce anche la possibilità, unica al mondo, di ricercare correlazioni tra stazioni poste a centinaia di km tra loro. Un eventuale segnale positivo sarebbe indicazione diretta di meccanismi ipotizzati ma non ancora verificati sperimentalmente, come l’effetto Gerasimova-Zatsepin. L’esperimento EEE può fornire inoltre un contributo nel campo dell’astronomia multi-messenger, basato sulla rilevazione simultanea dei segnali prodotti da uno stesso oggetto o fenomeno astrofisico: quelli luminosi (i fotoni), particelle cariche e neutre e onde gravitazionali. La rete di telescopi del Progetto EEE può infatti evidenziare anomalie nel flusso dei raggi cosmici correlate a eventi di interesse astrofisico come, ad esempio, l’emissione di onde gravitazionali o esplosioni di Supernovae.

Il Progetto EEE svolge anche, in modo innovativo, un importante ruolo di diffusione della cultura scientifica, coinvolgendo studenti e professori di più di cento scuole superiori italiane nelle diverse fasi dell’esperimento, dalla costruzione dei rivelatori al CERN alla manutenzione dei telescopi EEE installati presso gli istituti, così come nella fase di acquisizione e analisi dei dati. Allo stato attuale del Progetto ogni anno partecipano alle attività più di mille studenti provenienti da tutta l’Italia.

 

 

 

 

 

 

Figura 2: Studenti impegnati al CERN nella scostruzione dei rivelatori MRPC; il telescopio EEE presso la sede istituzionale del Centro Fermi; distribuzione dei telescopi del Progetto EEE sul territorio nazionale.

Acquisizione Dati

Dal 2014 l’esperimento è organizzato in fasi coordinate di acquisizione dati denominate Run. La durata di ciascun Run coincide temporalmente con l’anno scolastico e in tale periodo i telescopi della rete sono in funzione contemporaneamente, acquisendo dati che sono direttamente trasferiti presso la sede principale di immagazzinamento del CNAF di Bologna. Durante il Run massima attenzione è posta da parte di tutti i partecipanti al funzionamento dei telescopi, al fine di garantire la massima efficienza dell’osservatorio. A maggio del 2019 è terminato il Run-5 del Progetto EEE, iniziato a ottobre 2018. Sono stati superati i 100 miliardi di tracce ricostruite. Terminato il Run-5 è iniziata una fase di manutenzione di tutti i telescopi del Progetto EEE, essendo le stazioni in funzione ormai da diversi anni. Tale manutenzione è stata articolata su una serie di interventi che hanno interessato tutti i telescopi e che sono volti al miglioramento delle prestazioni di ciascuna stazione.

Upgrade della rete di telescopi

Nel 2019 sono state costruite al CERN 14 nuove camere MRPC, portando il totale di camere prodotte dall’inizio della fase di upgrade a 50. L’attività di costruzione delle camere è sempre svolta da studenti e professori delle scuole superiori italiane partecipanti al Progetto EEE. Le 14 camere sono state utilizzate per le installazioni di nuove stazioni o per sostituire alcune camere malfunzionanti. Tale attività proseguirà nei prossimi anni. Ad Ottobre 2019, in occasione dell’apertura della sede istituzionale del Centro Ricerche Enrico Fermi nella storica palazzina di via Panisperna, tre rivelatori sono stati utilizzati per l’installazione in sede di un telescopio entrato in fase di acquisizione dati a fine ottobre 2019. Tale stazione, oltre a costituire un nodo della rete EEE, è stata attrezzata in modo da essere visibile al pubblico nell’ambito delle visite guidate al “Museo Fermi” ospitato presso la palazzina storica. Ulteriori attività di upgrade e manutenzione della rete prevedono lo studio tramite test al CERN di nuove miscele di gas, da utilizzare nei rivelatori per migliorarne le prestazioni e limitare gli attuali costi di approvvigionamento. Sono inoltre iniziati studi per individuare soluzioni alternative per il sistema di alimentazione dei rivelatori. È proseguitainoltre la fase di messa in funzione in nuove stazioni delle nuove schede di trigger/GPS.

Analisi dati e pubblicazioni

Nel 2019 le attività di analisi dei dati del Progetto EEE è proseguita, portando a completamento quella in corso sui dati della missione PolarQuest2018 (discussa più in là nel testo). In aggiunta a quest’ultima, sono proseguite le analisi per la ricerca di eventi in coincidenza temporale tra stazioni della rete distanti centinaia di km. Dal punto di vista della strumentazione, è stato poi pubblicato su rivista internazionale un articolo tecnico relativo alla nuova scheda di trigger/GPS che equipaggia e sincronizza le singole stazioni.

La collaborazione ha poi lavorato ad un’analisi dei dati acquisiti in parallelo con un telescopio EEE e un rivelatore del Progetto PolarQuest per lo studio, tramite muoni cosmici, della stabilità degli edifici, la tomografia muonica, infatti, sfruttando il diverso assorbimento di muoni che i diversi materiali esibiscono, rappresenta una delle tecniche atte a studiare diverse strutture, dalle costruzioni civili ai vulcani. Nel lavoro realizzato la Collaborazione EEE ha quindi utilizzato le caratteristiche dei rivelatori coinvolti per monitorare l’allineamento e le possibili deformazioni a lungo termine di grandi strutture, pubblicando i risultati su rivista internazionale. È proseguito, poi, lo sviluppo delle simulazioni Monte Carlo dei rivelatori e degli ambienti che li ospitano, al fine di ottenere una sempre più accurata valutazione delle efficienze dei singoli telescopi, nonché una migliore comprensione delle incertezze sistematiche che caratterizzano le diverse misure. La collaborazione ha partecipato a varie conferenze nazionali ed internazionali, sia con presentazioni orali che con Poster, corredate da pubblicazioni negli atti delle conferenze stesse.

Missione PolarquEEEst

L’esperienza della spedizione PolarQuest20187, che aveva visto la collaborazione impegnata nella progettazione e nella costruzione di un rivelatore per raggi cosmici installato a bordo della barca Nanuq, è proseguita nel 2019 con una nuova serie di misure del flusso di raggi cosmici. Il rivelatore POLA-01, che aveva dimostrato ampie affidabilità ed efficienza, una volta rientrato in Italia dalla missione PolarQuest2018 è stato utilizzato per proseguire la campagna di misure del flusso di raggi cosmici in Italia (Bologna, Cosenza Erice, Catania), in Germania e in Svizzera. Le misure hanno permesso di studiare la variazione del flusso di raggi cosmici in funzione della latitudine. A maggio 2019 i rivelatori POLA-01, POLA-03 e POLA-04 (quest’ultimo costruito nei primi mesi dell’anno) sono stati poi trasportati ed installati presso la stazione scientifica internazionale di Ny Alesund alle isole Svalbard. Il rivelatore POLA-02 è invece rimasto ad Oslo, dove era stato installato nel 2018, per operare come riferimento. Grazie alla collaborazione con il CNR, che svolge diverse attività di ricerca scientifica a Ny Alesund, i rivelatori trasportati alle Isole Svalbard sono stati installati presso il laboratorio di Gruvebadet, in prossimità della torre per lo studio del cambiamento climatico Amudsen-Nobile e presso la Stazione Dirigibile Italia. I tre rivelatori permetteranno di studiare il flusso di raggi cosmici, su ampia scala temporale, in una regione in cui non sono presenti molte misure sperimentali. Avendo a disposizione tre rivelatori a distanza di circa 1 km l’uno dall’altro sarà anche possibile studiare sciami estesi alle latitudini artiche.

Attività di outreach

Il Progetto EEE è stato concepito per portare un vero esperimento scientifico nelle scuole superiori italiane; durante l’anno scolastico circa 1000 studenti sono direttamente coinvolti nell’esperimento. Nelle scuole in cui sono installati i telescopi gli studenti hanno la responsabilità di controllare il corretto funzionamento dell’apparato. Il lavoro è organizzato a livello locale e supervisionato dai ricercatori che lavorano nel Progetto EEE. Le scuole aderenti al progetto hanno la possibilità di accedere ai dati acquisiti dalla rete di telescopi anche se non in possesso del telescopio stesso: tutte le scuole sono quindi impegnate in attività di analisi dati, sia in autonomia sia con la supervisione del personale ricercatore. La Collaborazione EEE organizza poi incontri mensili tramite videoconferenza (con più di 100 collegamenti dalle scuole) durante i quali gli studenti hanno l’opportunità di partecipare a masterclass impartite da esperti e presentare il lavoro svolto a tutta la collaborazione. In aggiunta agli incontri telematici mensili, il CREF organizza poi giornate di studio dedicate alla discussione del progetto. Ad esempio, il 6, 7 e 8 Marzo 2019 si è tenuta la 10a Conferenza dei Progetti del CREF dedicata a EEE, svoltasi all’interno della splendida cornice del complesso della Cavallerizza Reale dell’Università di Torino; a tale appuntamento hanno partecipato 40 Istituti Scolastici provenienti da tutta Italia, per un totale di 160 partecipanti. Studenti, docenti e ricercatori si sono riuniti per delineare lo stato del progetto e per definire la strategia futuro relativa all’attività dell’osservatorio EEE. La conferenza ha

avuto come tema principale la misura del Tempo, ed il ruolo centrale che esso ricopre nelle complesse misure di EEE per lo studio della radiazione cosmica. All’evento, nell’ottica di una forte interdisciplinarità e per incoraggiare e sostenere la collaborazione tra i diversi Enti Pubblici di Ricerca italiani, il CREF ha invitato i ricercatori della sezione Tempo-Frequenza dell’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM). Questi ultimi hanno introdotto i partecipanti ai fondamenti della misura del tempo e all’uso di sistemi Global Navigation Satellite Systems (GNSS) per la sincronizzazione di orologi atomici a grandi distanze, anche attraverso vere e proprie “esperienze sul campo”. L’eccellente riuscita dell’iniziativa ha evidenziato come, attraverso il coinvolgimento in un vero esperimento scientifico, si possa realizzare una didattica viva ed efficace. Nel 2019 sono state attivate anche numerose esperienze di Alternanza Scuola-Lavoro, orientate ad un ancor più puntuale inserimento degli studenti nelle attività di ricerca scientifica.

Dal 1° al 5 Aprile 13 scuole della rete EEE hanno poi partecipato all’ International Muon Week, una iniziativa internazionale a carattere divulgativo che ha visto gli studenti impegnati nella misura della velocità dei muoni dei raggi cosmici. Infine, il 6 Novembre 2019 si è svolto l’International Cosmic Day, che rappresenta l’evento divulgativo più noto nel campo dei raggi cosmici, organizzato dal centro di ricerca Desy. Anche quest’anno centinaia di studenti del Progetto EEE hanno aderito all’iniziativa, partecipando ai lavori della giornata in 10 sedi italiane appositamente allestite, a riprova del processo di internazionalizzazione in corso nel Progetto EEE.

In breve

Il Progetto Extreme Energy Events (EEE) coniuga ricerca e divulgazione scientifica, rappresentando un unicum a livello mondiale. Attraverso una rete di 59 telescopi Multi-Gap Resistive Plate Chambers, distribuiti su tutto il territorio nazionale presso Istituti scolastici superiori e istituti di ricerca, è possibile studiare il flusso di raggi cosmici secondari e, in particolare, determinare la presenza di eventuali eventi estesi su centinaia di km. Circa mille studenti all’anno sono coinvolti in tutte le fasi del processo, dalla costruzione dei telescopi all’analisi dei dati raccolti; a ciò si aggiungono videoconferenze, giornate di studio e masterclass. Il know-how sviluppato nell’ambito di questo progetto ha permesso inoltre la realizzazione di sofisticati rilevatori per raggi cosmici, usati nell’ambito delle spedizioni PolarQuest2018e PolarquEEEst-2019; tali rilevatori permetteranno di svolgere nuove misure sperimentali alle latitudini artiche.

Pubblicazioni recenti:

[1] M. Abbrescia, C. Avanzini, L. Baldini, R. B. Ferroli, L. Batignani, M. Battaglieri,S. Boi, E. Bossini, F. Carnesecchi, A. Chiavassa, et al., First results from the upgrade of the extreme energy events experiment. Journal of Instrumentation, 14(08):C08005, 2019.

[2] M. Abbrescia, C. Avanzini, L. Baldini, R. B. Ferroli, L. Batignani, M. Battaglieri, S.Boi, E. Bossini, F. Carnesecchi, C. Cicalo, et al., The eee mrpc telescopes as tracking tools to monitor building stability with cosmic muons, Journal of Instrumentation, 14(06):P06035, 2019.

[3] M. Abbrescia et al. Gli studenti del progetto eee sulle orme di eratostene per la misura del raggio della terra, Giornale di Fisica , 60(107), 2019.

[4] Cicalò et al. The extreme energy events experiment, Iìin ICRC , volume 36, page 389,2019.

[5] D. De Gruttola, M. Abbrescia, C. Avanzini, L. Baldini, R. B. Ferroli, G. Batignani, M.Battaglieri, S. Boi, E. Bossini, F. Carnesecchi, et al., Performance of the multigap resistive plate chambers of the extreme energy events project, Journal of Instrumentation, 14(05):C05022, 2019.

[6] Garbini M. et. al. (EEE Collaboration), Performance of the multigap resistive plate chambers of the Extreme Energy Eventsp project,  Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A936 (2019) 474, doi: 10.1016/J.nima.2018.09.007.

[7] M. P. Panetta, M. Abbrescia, C. Avanzini, R. B. Ferroli, L. Baldini, G. Batignani, M. Battaglieri, S. Boi, E. Bossini, F. Carnesecchi, et al., The new trigger/gps module for the eee project, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment , 936:376–377, 2019.

[8] C. Pellegrino, F. Noferini, M. Abbrescia, C. Avanzini, L. Baldini, R. Baldini Ferroli, G. Batignani, M. Battaglieri, S. Boi, E. Bossini, et al., First results from polarqueeest, in ICRC , volume 36, page 371, 2019.

[9] S. Pisano, M. Abbrescia, C. Avanzini, L. Baldini, R. B. Ferroli, L. Batignani, M. Battaglieri, S. Boi, E. Bossini, F. Carnesecchi, et al. New eco-gas mixtures for the extreme energy events mrpcs: results and plans, Journal of Instrumentation, 14(08):C08008, 2019.

[10] M. Trimarchi, M. Abbrescia, C. Avanzini, L. Baldini, R. B. Ferroli, L. Batignani, M. Battaglieri, S. Boi, E. Bossini, F. Carnesecchi, et al., Test of new eco-gas mixtures for the multigap resistive plate chambers of the eee project, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 936:493–494, 2019.

Referenti del progetto:

Marco Garbini

Contatti:

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