15. Extreme Energy Events (EEE) – La Scienza nelle Scuole - CREF

Extreme Energy Events (EEE) – La Scienza nelle Scuole

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In breve

Il Progetto Extreme Energy Events (EEE) coniuga ricerca e divulgazione scientifica, rappresentando un unicum a livello mondiale. Attraverso una rete di 60 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 acquisiti; a ci\`o 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 PolarQuest2018 e PolarquEEEst-2019; tali rilevatori permetteranno di svolgere nuove misure sperimentali alle latitudini artiche.

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 della cultura 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 dal coinvolgimento delle scuole e degli studenti che sono direttamente coinvolti nelle diverse fasi del progetto.

La rete EEE è costituita attualmente da 60 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), distribuiti 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 (solar Flares), effetti di assorbimento dovuti a ostacoli circostanti o più lontani (ad esempio la Luna o il Sole), l’effetto di asimmetria est-ovest. I telescopi del Progetto EEE sono dotati di un sistema di sincronizzazione temporale che permette di associare ad ogni raggio cosmico rivelato un tempo assoluto. Grazie alla sincronizzazione temporale dei telescopi è possibile ricercare e studiare 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 basata sulla rilevazione simultanea dei possibili diversi segnali prodotti da uno stesso oggetto o fenomeno astrofisico: da quelli luminosi (i fotoni), alle particelle cariche e neutre alle 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, in modo innovativo e unico, un importante ruolo di diffusione della cultura scientifica, coinvolgendo studenti e professori di circa 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 circa mille studenti provenienti da tutta l’Italia.

Fig. Visualizzazione dei raggi cosmici. Immagine realizzata dalla NASA

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; i dati acquisiti sono direttamente trasferiti presso la sede principale di immagazzinamento e analisi dati 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. Al termine del Run 5 (maggio 2019), quando erano stati superati i 100 miliardi di tracce ricostruite, è iniziata una fase di manutenzione di tutti i telescopi del Progetto EEE, essendo le stazioni in funzione ormai da diversi anni. Tale attività è articolata in una serie di interventi che interessano tutti i telescopi e che sono volti al miglioramento delle prestazioni di ciascun sito della rete. La fase di manutenzione dei telescopi è stata poi interrotta in concomitanza con l’inizio dell’emergenza sanitaria legata alla pandemia da Covid-19 che ha comportato l’interruzione di tutte le attività in presenza. A causa del protrarsi dell’emergenza la ripresa delle attività di manutenzione sui telescopi installati presso le scuole e la successiva ripresa della fase di acquisizione dati sono programmate a partire dall’autunno del 2021.

Dal 2014 l’esperimento è organizzato in fasi coordinate di acquisizione dati denominate Run.

Upgrade della rete di telescopi

Fig. Distribuzione dei telescopi del Progetto EEE.

La fase di upgrade dell’esperimento iniziata già da alcuni anni e proseguita nel 2019 con la costruzione al CERN di 14 nuovi rivelatori MRPC, portando il totale di camere prodotte dall’inizio della fase di upgrade a 50, è stata momentaneamente sospesa a causa dell’emergenza sanitaria. L’attività di costruzione delle camere è sempre svolta da studenti e professori delle scuole superiori italiane partecipanti al Progetto EEE. Le nuove camere saranno utilizzate per le installazioni di nuove stazioni o per sostituire alcuni rivelatori che al termine della fase di manutenzione risultino 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 di tali rivelatori sono stati utilizzati per l’installazione in sede di un telescopio EEE. 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 e per altri eventi di outreach. Ulteriori attività di upgrade e manutenzione della rete prevedono lo studio tramite test in alcune sedi della rete di nuove miscele di gas da utilizzare nei rivelatori per migliorarne le prestazioni e limitare i costi di approvvigionamento. Sono inoltre iniziati studi per individuare soluzioni alternative per il sistema di alimentazione dei rivelatori. Compatibilmente con il miglioramento della situazione legata all’emergenza sanitaria a partire dall’autunno del 2021 proseguirà la fase di messa in funzione di nuove stazioni la cui installazione era iniziata tra la fine del 2019 e il 2020.

Analisi dati e pubblicazioni

Nel 2020 sono proseguite le attività di analisi dei dati del Progetto EEE. Sono stati pubblicati, su rivista internazionale, i risultati dell’analisi dei dati acquisiti durante la missione PolaQuest2018 relativi alla misura, con una precisione senza precedenti, del flusso delle particelle cariche cosmiche a livello del mare in un intervallo di latitudine compreso tra 66° e 82° N. Un ulteriori analisi su tali dati, sempre relativa alla misura della variazione del flusso dei raggi cosmici con la latitudine ma in un intervallo si latitutini più ampio, sarà finalizzato nel corso del 2021. I rivelatori della Missione PolarQuest, ora installati stabilmente alle Isole Svalbard, sono in fase di acquisizioine dati dall’estated del 2019; i dati saranno utilizzati per ulteriori analisi anche legate allo studio di sciami estesi. Continua inoltre l’analisi per la ricerca di eventi in coincidenza temporale tra stazioni della rete distanti centinaia di km, analisi per la quale la rete EEE ha caratteristiche uniche. Infine lo sviluppo delle simulazioni Monte Carlo dei rivelatori del Progetto EEE e degli ambienti che li ospitano per ottenere una sempre più accurata valutazione delle efficienze dei singoli telescopi e delle incertezze sistematiche, sono proseguiti e i risultati sono confluiti in una pubblicazione su rivista internazionale; i tool di simulazione saranno estesi per lo studio dei rivelatori PolarQuEEEst. I membri della collaborazione hanno partecipato a conferenze nazionali ed internazionali ed i contributi sono confluiti nelle pubblicazioni degli atti delle conferenze stesse.

PolarquEEEst

L’esperienza della spedizione PolarQuest2018\footnote{http://www.polarquest2018.org}, che aveva visto la collaborazione EEE 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 grande affidabilità ed efficienza, una volta rientrato in Italia dalla missione 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 del 2019) sono stati poi trasportati ed installati presso la stazione scientifica internazionale di Ny Alesund alle isole Svalbard. Il rivelatore POLA-02 è stato riportato in Italia per una serie di interventi di manutenzione e per una sua futura installazione a bordo di un’imbarcazione per una nuova missione di misura. I rivelatori installati in collaborazione con il CNR in tre siti presso la stazione scientifica di Ny Alesund hanno continuato ad acquisire dati che 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

Fig. Seminari da remoto tenuti tra il 2020 e il 2021.

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. L’insorgere dell’emergenza sanitaria nel 2020 ha impedito il proseguimento delle attività sperimentali sui telescopi e reso impossibile l’organizzazione in presenza delle consuete giornate di studio dedicate alla discussione del progetto. Per tale motivo nel 2020 e nel 2021 sono stati organizzati vari seminari da remoto su vari argomenti di carattere scientifico direttamente o no collegati ad EEE: il seminario “ Cherenkov Telescope Array” ha visto circa 400 partecipanti tra studenti e professori delle scuole aderenti ad EEE; i seminari “Quantum Mechanics” e “Il pensiero scientifico al femminile. Le nostre antenate” e “La fisica applicata ai beni culturali”, sono stati seguiti da circa 500 partecipanti. Il 4 Novembre 2020 si è poi svolto in forma telematica l’International Cosmic Day che rappresenta l’evento divulgativo più noto nel campo dei raggi cosmici, organizzato dal centro di ricerca Desy. Circa 400 studenti del Progetto EEE hanno aderito all’iniziativa, partecipando ai lavori della giornata, a riprova del processo di internazionalizzazione in corso nel Progetto EEE.

Referenze

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Referente Progetto

Marco Garbini

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