Progetto La Scienza nelle Scuole EEE (Extreme Energy Events) Prof.Antonino Zichichi Università di Bologna, Italia INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) Roma, Italia Centro Enrico Fermi Roma, Italia CERN (Centro Europeo di fisica nucleare) Ginevra, Svizzera FCCSEM (Fondazione e Centro di cultura Scientifica E.Maiorana) Erice, Italia WFS (World Federation of Scientists) Beijing, Geneva, Moscow, New York Referente per il progetto presso il Liceo Scientifico G. Ferraris di Torino: M.Burato
I raggi cosmici La Terra è bombardata ogni giorno da una pioggia di particelle (raggi cosmici) di origine extraterrestre: questa radiazione è formata da protoni (86%), He (13%), elettroni (2%), nuclei (1%) e pochissimi raggi γ. Quando i raggi cosmici arrivano nell atmosfera urtano contro i nuclei degli atomi dell aria e li frantumano formando protoni e neutroni, antiprotoni e antineutroni, mesoni Protoni e neutroni, se hanno ancora energia, urtano altri nuclei e riproducono il fenomeno. Antiprotoni e antineutroni si annichilano formando altri pioni.
I pioni decadono dando vita ai muoni, elettroni,.. Muoni e neutrini rappresentano la maggior parte delle particelle sopravvissute. I muoni hanno una massa 207 volte superiore a quella dell'elettrone. Per questo motivo, un muone con carica negativa può essere pensato come un elettrone estremamente pesante. I muoni vengono indicati con µ- e µ+ a seconda della carica. Sulla Terra i muoni giungono principalmente mediante il decadimento di pioni carichi, a loro volta derivanti dall'interazione in atmosfera dei protoni provenienti dalla radiazione cosmica. I pioni hanno un tempo di decadimento molto breve, pochi nanosecondi. Anche i muoni hanno vita breve, il loro tempo di decadimento è dell ordine dei microsecondi. I muoni hanno alta energia, sono pertanto facilmente rilevabili sulla superficie terrestre e costituiscono una importante verifica degli effetti della relatività speciale. Motivazione scientifico-culturale I raggi cosmici sono stati scoperti all inizio del secolo scorso. In questi ultimi anni il flusso dei raggi cosmici è stato associato alle variazioni climatiche che, nel corso degli ultimi cinquecento milioni di anni, hanno visto per ben quattro volte sciogliersi le calotte polari e per altre quattro riformarsi. Queste variazioni che avvengono su scale temporali di milioni di anni sono legate al percorso che noi ci troviamo a compiere attraverso lo spazio cosmico lungo le spirali della nostra Galassia. C è un altra scala di tempi ben diversa e che si articola su decine di secoli, più esattamente sui mille anni. Accade che, anche in questo caso, il flusso dei raggi cosmici ha un ruolo primario. Esso determina la produzione di un isotopo che si deposita nelle calotte polari. E stavolta ad avere effetto sul clima è l attività del Sole con le sue macchie. Ancora una volta entra in gioco il flusso dei raggi cosmici in quanto, se aumenta il numero di macchie solari, aumenta lo schermo protettivo del campo magnetico solare e si riduce quindi il flusso dei raggi cosmici. C è infine il flusso dei corpi celesti che ha determinato le cosiddette grandi estinzioni sulla Terra. Il flusso dei corpi celesti non dovrebbe avere alcun legame con il flusso dei raggi cosmici, tuttavia l andamento dei flussi è un problema di grande attualità e va quindi studiato. Portare nelle Scuole questi temi è un motivo nuovo ed efficace per attirare l attenzione delle migliori energie intellettuali delle nuove generazioni di potenziali futuri scienziati. Il Progetto EEE si basa sul coinvolgimento diretto dei giovani in questa grande avventura scientifica. Infatti saranno gli stessi giovani a costruire i rivelatori in grado di osservare i segnali cosmici e, partendo da questi segnali,elaborare i dati fino all analisi e alla loro interpretazione.
Il Progetto si sviluppa attraverso le seguenti fasi: 1. costruzione dei rivelatori MRPC 2. realizzazione del telescopio con MRPC e messa a punto della strumentazione 3. presa dati e analisi MRPC Lo strumento che viene istallato nelle Scuole è denominato MRPC (Multigap Resistive Plate Chamber) ed è stato inventato allo scopo di misurare con grande precisione il tempo di volo delle particelle subnucleari. L obiettivo è di riuscire a ottenere una precisione di cento picosecondi (un picosecondo corrisponde ad un millesimo di miliardesimo di secondo!). Il rivelatore MRPC è un rivelatore estremamente sofisticato. Il suo principio di funzionamento è però quello di un semplice condensatore piano nella cui intercapedine è presente un gas ( freon al 95% ed esafluoruro di zolfo al 5%). Il gas è inerte e non infiammabile quindi assolutamente non pericoloso (è la miscela che viene utilizzata in parecchi estintori). Una particella carica vi lascia una scia in virtù della ionizzazione del gas stesso. Le cariche elettriche generate nel gas all interno del condensatore si muovono verso le armature di segno opposto; il movimento di queste cariche è all origine del segnale elettrico indotto sulle armature ed il segnale elettrico viene usato per rivelare il passaggio della particella. Il rivelatore occupa una superficie di due metri quadrati ed è alto circa 2 metri. Funziona con l alimentazione di rete e consuma quanto due lampadine da 250 Watt. Non emette alcun tipo di radiazioni ( e come potrebbe?). E costruito con materiali di uso comune come vetro, metallo, plastica, ecc Viene fornito completo di tutte le apparecchiature che serviranno per il rilevamento dei dati, la loro interpretazione, l invio degli stessi al centro di Bologna e la messa in rete. Durante la prima fase, il Docente a capo del progetto ha accompagnato 4 studenti al CERN di Ginevra per il montaggio dei rivelatori. Un tecnico della Facoltà di Fisica di Torino ha accompagnato il gruppo e lo ha affiancato nelle varie attività. Nella seconda fase il rivelatore è stato installato a scuola, collegato alla rete, collaudato, ecc. A questo punto gli studenti diventano i veri protagonisti: dovranno curare la macchina, rilevare i dati, interpretarli e confrontarli con quelli degli altri Istituti dislocati in tutta Italia. Ci proponiamo di studiare i raggi cosmici di energie talmente alte che vengono definite estreme. Gli Extreme Energy Events (EEE) sono portatori di messaggi ancora tutti da capire: nessuno conosce con certezza la loro origine. Sappiamo che: i raggi cosmici dovrebbero variare in funzione del campo magnetico solare che agisce da schermo;
ci dovrebbe essere una relazione tra periodi di glaciazione e ingresso della Terra in zone dove aumenta il flusso di raggi cosmici; più raggi incidono nell atmosfera, più nuvole vengono prodotte legame con il clima; c è un legame tra raggi cosmici e macchie solari (e le macchie solari dovrebbero avere effetti sul clima); anche il flusso dei corpi celesti che arrivano sulla Terra è legato al flusso dei raggi cosmici E nel quadro inteso a conoscere le origini di ciò che accade nello spazio che rientra il progetto EEE. Per avvicinarci al Big Bang c è bisogno di macchine come il rivelatore MRPC. ALCUNE PRECISAZIONI In un primo momento il Progetto EEE doveva coinvolgere 25 Istituti in tutta Italia (e il Galileo Ferraris era uno di questi!). Poi visto l importanza dell iniziativa sono arrivati nuovi finanziamenti che hanno permesso di estendere l esperimento ad altri istituti, aumentando il numero di rivelatori. Per la città di Torino, il Progetto prevede la messa in opera di 3 macchine rispettivamente nei Licei Volta, G.Ferraris e D Azeglio, in modo da formare un triangolo che permetta di studiare meglio gli sciami di particelle che colpiscono la città e l Italia. Il Progetto è inserito nel POF ed è una porta aperta verso la moderna ricerca scientifica tanto importante perché coinvolge gli studenti direttamente e li responsabilizza. E un modo per dimostrare quale importanza abbia la Fisica nella scienza moderna e quali legami ci siano tra la Fisica e le realtà che sconvolgono il nostro pianeta. Il 30 giugno del 1908, nella zona del fiume Tunguska in Siberia, un oggetto cosmico fatto di ghiaccio e argilla devastò un enorme superficie di foresta siberiana. Il diametro di quel proiettile cosmico era di circa novanta metri; esso si è disintegrato esplodendo a circa cinquemila metri d altezza. La potenza di quella esplosione è stata pari a quella generata da una bomba-h di 13 megaton. Giova ricordare che basta un solo megaton per disintegrare una grande metropoli. Cosa sarebbe successo se quell oggetto cosmico fosse caduto vicino a qualche capitale europea?
ALCUNI MOMENTI DELLA FASE DI COSTRUZIONE DEI RIVELATORI