Extreme Energy Events – La Scienza nelle Scuole

Il Progetto Extreme Energy Events (EEE) – La Scienza nelle Scuole rappresenta il Progetto Strategico del Centro Fermi ed è un’attività di ricerca innovativa, con l’obiettivo di rivelare la componente muonica che giunge al suolo degli sciami atmosferici estesi (EAS, Extensive Air Showers), ossia di grande energia, in particolare quelli generati da raggi cosmici primari con energia maggiore di 1019 eV. In questa regione dello spettro di energia dei raggi cosmici rimangono ancora insoluti alcuni problemi, quali quelli relativi, per esempio, all’origine di particelle primarie di così alta energia, alla forma esatta dello spettro e alla presenza di un cut-off oltre 1020 eV. La rivelazione degli sciami è effettuata tramite una rete di telescopi per raggi cosmici, distribuiti su tutto il territorio nazionale e ospitati per la maggior parte presso Istituzioni Scolastiche. figura_cartina_2018.png
In alcuni casi, vi sono gruppi (clusters) di telescopi ravvicinati. Ogni telescopio è costituito da tre camere MRPC (Multigap Resistive Plate Chambers), simili a quelle utilizzate nel sistema per la misura del tempo di volo nell’esperimento ALICE, installato presso il Large Hadron Collider (LHC) del CERN. In aggiunta al suo obiettivo scientifico, l’aspetto innovativo del Progetto consiste nel ruolo primario che viene assegnato a studenti e docenti delle Scuole coinvolte. Squadre di docenti e studenti, affiancati da personale di Enti di Ricerca, provvedono al compito fondamentale di costruire i rivelatori MRPC in laboratori messi loro a disposizione presso il CERN, in maniera da renderli protagonisti dell’intera procedura di assemblaggio. I rivelatori MRPC vengono poi trasportati nelle Scuole, dove sono montati in telescopi, la cui manutenzione e controllo della presa dati sono nuovamente compito degli studenti, assistiti dai loro insegnanti. In figura è riportata l’ottima precisione temporale ottenuta con questi telescopi, un risultato che permette una forte reiezione dei fondi nell’analisi dei raggi cosmici. figura_risoluzione_2018.png
I dati raccolti sono trasferiti in tempo reale presso il centro di calcolo del CNAF dell’INFN a Bologna e qui ricostruiti e resi disponibili ai ricercatori, docenti e studenti coinvolti nel Progetto. Un sistema sofisticato di monitoraggio on line permette di intervenire in tempi rapidi quando un problema viene individuato in una particolare stazione della rete. La presa dati di EEE si concentra nei periodi scolastici da ottobre a giugno, anche se numerosi Istituti Scolastici riescono a essere operativi anche durante i periodi di vacanze. Dal 2015 la raccolta di dati è organizzata in una serie du “Runs” annuali e a oggi sono più di 65 miliardi le tracce di particelle cosmiche ricostruite. Come sta già accadendo in numerosi Laboratori internazionali (NASA, CERN, ecc.), anche il Progetto EEE ha intrapreso un’attività per la creazione di un sistema “Open Data Source” che permetterà a chiunque fosse interessato (ricercatori, appassionati o studenti) di accedere a una parte dei dati.

Alla fine del 2017, la rete di telescopi EEE era costituita da 50 stazioni ospitate in altrettante Scuole, più altre 4 in Sezioni INFN e Dipartimenti di Fisica, e 2 al CERN. Più di 50 altre Scuole aderiscono al Progetto analizzando i dati e partecipando a tutte le iniziative collegate (masterclasses, incontri, visite, stages, ecc.). In particolare, una volta al mese, tutte le Scuole EEE (la cui lista completa è accessibile on-line all’indirizzo: http://eee.centrofermi.it/scuole) si collegano in videoconferenza per discutere lo stato del Progetto e i lavori eseguiti dagli studenti. Ogni anno vengono anche organizzate una o più Conferenze di Progetto che prevedono la partecipazione di persona di studenti e docenti delle Scuole: nel 2017, a Erice, questi incontri sono stati caratterizzati da esperienze pratiche di misura del raggio della Terra e della variazione di flusso dei  raggi cosmici con l’altitudine (ambedue le misure saranno pubblicate nel Giornale di Fisica della SIF). Sono numerose le Scuole che hanno inserito il Progetto nell’ambito dell’Alternanza Scuola Lavoro prevista dal MIUR.

Nei prossimi anni l’esperimento EEE proseguirà la presa dati e particolare attenzione verrà posta nel mantenerne le condizioni le più stabili possibili, per esempio con l’installazione, ove possibile, di impianti di climatizzazione nei locali che ospitano i telescopi, in maniera da mantenere costante la temperatura ed eventualmente estendere la presa dati anche al periodo estivo.

Progressivamente, verrà anche aumentato il numero dei telescopi del network EEE (altri 15 circa nel prossimo triennio) e verrà installata della nuova elettronica, che consentirà di migliorare ancora le prestazioni dei telescopi e semplificarne la struttura. Dal punto di vista delle analisi di fisica, verranno perseguite tutte le analisi già in corso, sfruttando la sensibilità derivante dalla maggiore statistica accumulata; in particolare l’analisi si concentrerà sullo studio delle variazioni di flusso dei raggi cosmici in relazione ad attività solari o eventi astrofisici particolari (vedi recenti indagini di correlazioni “multi-messenger” con la rivelazione di onde gravitazionali). Verranno cercate anisotropie nella distribuzione dei raggi cosmici. Si sottolinea il recente risultato pubblicato su una prima evidenza di correlazioni a grande distanza legati ad interazioni dei raggi cosmici con la materia nello spazio. figura_eventi_2018.png
Il Progetto EEE è stato anche protagonista dell’International Cosmic Day (ICD, https://icd.desy.de) che, organizzato dai laboratori DESY di Amburgo con l’International Particle Physics Outreach Group (IPPOG), in una giornata dedicata ai raggi cosmici, riunisce gli studenti di tutto il mondo con una misura condivisa (quest’anno l’andamento dei raggi cosmici con l’angolo di incidenza). Per EEE, hanno partecipato 550 studenti provenienti da 47 Scuole che aderiscono al Progetto EEE. Sono iniziati inoltre nuovi esperimenti in collaborazione con Istituzioni internazionali per uno studio della correlazione tra raggi cosmici e le proprietà dell’atmosfera (Università di Santiago de Compostela) e per la misura di flussi di radiazioni al Polo Nord (CERN, Ginevra).

Quest’ultimo, denominato PolarQuEEEst (http://www.polarquest2018.org), consiste nella realizzazione di tre piccoli telescopi di scintillatori da posizionare uno su una barca a vela che navigherà presso le isole Svalbard (lungo il percorso del dirigibile ITALIA di Umberto Nobile), e gli altri due in Norvegia e in Italia: anche questa sarà una misura originale e anche questa sarà condotta coinvolgendo Scuole norvegesi, italiane e svizzere.