Lo studio dei raggi cosmici avviato agli inizi del XX secolo ha dato un forte impulso allo studio della fisica delle particelle, con la scoperta di nuove particelle e l’approfondimento della comprensione delle interazioni fondamentali della natura. Nonostante siano stati scoperti oltre un secolo fa, lo studio dei raggi cosmici è ancora oggi al centro di ricerche avanzate, che affrontano questioni fondamentali della fisica, dell’astrofisica e della cosmologia.

Oggi sappiamo che sono per lo più protoni, ma anche nuclei più pesanti,  che viaggiano attraverso lo spazio e che possono interagire con l’atmosfera terrestre. Il loro spettro energetico si estende per varie decadi, da 109 eV (elettronvolt) fino a raggiungere i 1020 eV; sappiamo che maggiore è la loro energia minore è il flusso (per i più energetici il flusso atteso è di una particella al km2 all’anno o anche inferiore). Sappiamo che le particelle di energia moderata, che possono essere studiate direttamente perché il loro flusso è abbastanza elevato, provengono principalmente dalla nostra galassia, accelerate da fenomeni come esplosioni di supernove. L’origine dei raggi cosmici di energia ultraelevata (oltre 1018eV) rimane ancora oggetto di studio (potrebbero derivare da fenomeni extragalattici estremi, come nuclei galattici attivi, jet relativistici di buchi neri o altro). Gli esperimenti che studiano tali raggi cosmici sono basati su array di rivelatori a terra che rivelano, con varie tecniche sperimentali, lo sciame generato dall’interazione del raggio cosmico primario con l’atmosfera terrestre. Diversi sono gli esperimenti in corso, altri sono in fase di progettazione e costruzione anche per lo studio di possibili correlazioni di sciami a grande distanza. 

Vi è poi un settore di ricerca legato allo studio della possibile influenza dei raggi sul clima, della possibile relazione tra flusso di raggi cosmici e copertura nuvolosa e temperatura. Anche per questi studi il funzionamento di reti di monitoraggio risulta particolarmente importante.

In questo panorama il Progetto EEE rappresenta un unicum, per continuità di operazioni e diffusione sul territorio nazionale, come esperimento per la misura monitoraggio al suolo della radiazione cosmica, con un forte ed innovativo programma di diffusione della cultura scientifica, che, dal 2005, vede ogni anno diverse centinaia di studenti impegnati nelle sue attività.

L’obiettivo del Progetto EEE è quello di realizzare un esperimento scientifico sui raggi cosmici e portarlo all’interno delle scuole superiori italiane in modo da coinvolgere i giovani studenti e favorire quindi la diffusione della cultura scientifica. In particolare, si vogliono studiare, attraverso un opportuno apparato sperimentale, i muoni generati dall’interazione dei raggi cosmici primari (principalmente protoni) con l’atmosfera terrestre. I muoni, essendo particelle penetranti, possono essere rivelati anche all’interno degli edifici scolastici che diventano dei laboratori di Fisica Subnucleare. 

Il Progetto EEE prevede, quindi, la costruzione ed installazione di rivelatori traccianti per muoni, i telescopi, su tutto il territorio nazionale. In tal modo si coinvolge il maggior numero possibile di istituti scolastici ed è possibile studiare le caratteristiche del flusso di raggi cosmici su base locale ma è anche possibile studiare possibili correlazioni tra eventi su tutta la rete. EEE è un osservatorio unico di raggi cosmici su scala nazionale che, attraverso un costante monitoraggio della radiazione cosmica permette studi multidisciplinari e a carattere STEM; le scuole possono aderire al Progetto EEE anche senza installare un telescopio nei locali scolastici, entrano così a far parte di una rete e possono eseguire le analisi su qualunque set di dati. L’avvio della missione PolarquEEEst rappresenta un ulteriore sviluppo della rete di monitoraggio del Progetto EEE.

Tramite questa organizzazione il coinvolgimento degli studenti, e dei professori, è totale ed avviene in ogni fase dell’esperimento, dalla costruzione dei rivelatori all’analisi dei dati acquisiti. Dal 2005 quando è iniziata la fase pilote con poche scuole coinvolte siamo arrivati oggi ad avere circa 70 scuole che partecipano ogni anno attivamente alle attività del Progetto EEE coinvolgendo un elevato numero di studenti di tutta Italia; il confronto sia con incontri da remoto che in presenza permette un ulteriore momento formativo di confronto tra gli studenti.

Il Progetto EEE consiste in una rete di telescopi traccianti per raggi cosmici, ciascuno costituito da tre rivelatori di tipo Multigap Resistive Plate Chamber (MRPC) di grande area sensibile (2 m2).  Nella figura seguente a destra, è mostrato uno dei telescopi. La rete EEE è costituita attualmente da circa 50 telescopi, tanto da rendere EEE il più esteso osservatorio per raggi cosmici basato sulla tecnologia delle MRPC. A sinistra della figura seguente è mostrata la distribuzione geografica delle scuole partecipanti ad oggi al Progetto EEE: i cerchi rossi ed arancioni indicano la collocazione dei telescopi scolastici e in sedi INFN rispettivamente, mentre i cerchi azzurri indicano le scuole aderenti al progetto senza telescopio. Nella stessa figura sono anche riportati i  è anche riportata

Come evidenziato precedentemente, il coinvolgimento degli studenti inizia dalla costruzione dei rivelatori al CERN e prosegue con la loro installazione negli istituti scolastici, nelle Università ed Enti Pubblici di Ricerca (CREF, Sezioni INFN).

 I dati acquisiti dai singoli telescopi permettono di studiare le caratteristiche del flusso locale dei raggi cosmici secondari. Ogni telescopio è in grado di misurare con la precisione del cm2 il punto di passaggio dei muoni su ciascuna camera in modo da ottenere la traccia della particella e la sua direzione. Un ricevitore GPS permette la sincronizzazione temporale dei telescopi in modo da poter studiare correlazioni tra stazioni vicine (studio di sciami atmosferici estesi per stazioni a distanze fino a qualche km) e anche molto distanti, per studi su eventi come le tempeste solari. La distribuzione sul territorio dei rivelatori, organizzata in cluster o in stazioni singole, offre la possibilità unica al mondo di ricercare direttamente 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. 

A partire dal 2014 il Progetto EEE è organizzato in fasi coordinate di acquisizione dati denominate Run, la cui durata coincide temporalmente con l’anno scolastico.  In tale periodo i telescopi della rete sono in funzione contemporaneamente e massima attenzione è posta al funzionamento dei telescopi, per garantire la massima efficienza dell’osservatorio; a tal fine gli studenti e i professori partecipano a riunioni periodiche, i Run Coordination Meeting, che permettono di avere e fornire aggiornamenti sullo stato della rete. Dal 2022, finita l’emergenza COVID-19, è stata avviata l’attività di ripartenza dei telescopi con l’utilizzo di una nuova miscela ecologica di gas che garantisce prestazioni in linea con le richieste dell’esperimento e non richiede maggiori modifiche alle installazioni. Nella seguente immagine è mostrata l’efficienza di rivelazione misurata con la nuova miscela confrontata con la miscela precedente.

La fase di ripartenza dei telescopi, l’ulteriore sfida di una transizione ecologici, è tutt’ora in corso e proseguirà nei prossimi due anni. Nonostante l’interruzione (anche dovuta all’ emergenza sanitaria legata al COVID-19) delle attività sperimentali il Progetto EEE ha continuato ad organizzare le riunioni mensili online, i Run coordination meeting che sono il primo campo di confronto tra tutti gli studenti partecipanti al Progetto EEE, inserendo nel programma degli incontri anche seminari su temi anche non direttamente connessi alle attività del Progetto EEE. Ai Run Coordination Meeting online sono presenti abitualmente centinaia di studenti (via collegamento individuale o di gruppo). Ad oggi le attività sui telescopi sono riprese in circa 20 scuole e in diversi laboratori INFN e al CERN. La ripresa delle attività è visibile dalla pagina web di monitor dell’esperimento (open, https://iatw.cnaf.infn.it/eee/monitor/) come mostrato nella figura seguente: dopo un periodo di stop delle attività caratterizzato da una crescita minima del numero di tracce acquisite a partire dal 2024 con la riaccensione dei telescopi la statistica a ripreso a crescere.

Dal 27 al 29 novembre 2024, tramite un Bando del Centro Fermi per l’assegnazione di contributi per le Scuole aderenti al Progetto E.E.E. si è tenuto un meeting in presenza presso il CREF con circa 100 partecipanti (figura seguente), la maggior parte dei quali studenti delle scuole superiori. L’incontro che ha permesso di festeggiare i 20 anni dalla presentazione del Progetto EEE al CERN, si è svolto in concomitanza con l’International Cosmic Day (organizzato dal laboratorio di fisica DESY di Amburgo), appuntamento annuale che riunisce le scuole di tutto il mondo per una giornata di studi sui raggi cosmici.

L’evento centrale è stata una masterclass in cui le studentesse e gli studenti hanno in prima persona analizzato e poi presentato dati acquisiti da vari telescopi in funzione con le nuove miscele. 

All’interno del Progetto EEE è nata la Missione PolarquEEEst per la quale sono stati costruiti, coinvolgendo scuole superiori Norvegesi e Svizzere, tre rivelatori a scintillazione compatti per lo studio e monitoraggio del flusso dei raggi cosmici a latitudini estreme, i rivelatori POLA-R (POLA-01/02/03). Nel 2018 POLA-01 è stato installato a bordo del battello Nanuq che ha circumnavigato le Svalbard misurando il flusso di raggi cosmici fino a 82° N. Il rivelatore compatto si presta a misure anche in itinere e oltre a varie campagne di misura in auto sono state effettuate misure anche a bordo della Nave Scuola “Amerigo Vespucci”.  Nel 2019, grazie alla collaborazione del CNR, i tre rivelatori sono stati installati a a Ny Alesund alle isole Svalbard (Norvegia), presso la stazione Dirigibile Italia per lo studio e monitoraggio continuo del flusso dei raggi cosmici a latitudini estreme, come mostrato nella figura seguente, da un’analisi preliminare mostrata alla conferenza Cosmic-Ray International Studies and Multi-messenger Astroparticle Conference, CRIS-MAC 2024, tenutasi a Trapani dal 17 al 21 giugno 2024.  Come si può notare il rate misurato dai rivelatori in funzione mostra sia la periodicità annuale (effetto estate inverno); ancora in fase di studio il possibile calo del flusso in accordo con il ciclo solare. La prosecuzione della campagna di misura a Ny Alesund permetterà di coprire l’intera durata del ciclo solare (11 anni) e continuare gli studi di periodicità in corso.

Marco Garbini (Responsabile)

Questa metodologia è ufficialmente usata da:

European Commission – Joint Research Center di Siviglia: collaborazione con A. Tacchella, E. Pugliese, L.Napolitano, gruppo Complexity. (https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/handle/JRC124939)

IFC – World Bank: collaborazione con M. Cader

Altre collaborazioni scientifiche includono:

SonyLab – Parigi e Roma: collaborazione con tutto il gruppo CSL diretto da V. Loreto
CNEL: Prof. Tiziano Treu
ISC – CNR

Collaborazione con Università
Questo progetto si sviluppa in forte sinergia con le università, in particolare con l’Università Sapienza di Roma, il personale del Dipartimento di Fisica e con l’Università Tor Vergata.

Oltre alla loro importanza scientifica, i raggi cosmici offrono straordinarie opportunità didattiche per introdurre I giovani a concetti avanzati di fisica moderna. L’idea del Progetto Extrem Energy Events, presentato dal suo ideatore il Prof. A. Zichichi nel 2004, prevede che gli studenti delle scuole superiori italiane possano partecipare ad ogni fase di un esperimento di fisica dei raggi cosmici, dalla costruzione del rivelatore: questo approccio pratico e interdisciplinare, che richiama l’eredità di Enrico Fermi, non solo stimola l’interesse per la scienza, ma incoraggia anche il pensiero critico e la comprensione delle connessioni tra fenomeni microscopici e l’universo su larga scala.

Includere il tema dei raggi cosmici nei programmi scolastici può trasformare l’apprendimento in un’esperienza coinvolgente e formativa, avvicinando i giovani alle frontiere della ricerca scientifica e ispirando una nuova generazione di scienziati. La possibilità di creare una rete nazionale per il monitoraggio della radiazione cosmica rappresenta un altro elemento di formazione ed educazione scientifica attraverso il lavoro di gruppo.