EEE La scienza nelle scuole Corrado Cical INFN

EEE La scienza nelle scuole Corrado Cicalò INFN – Cagliari Comunicare Fisica 12 – 16 Aprile 2010

Sommario della presentazione • Il progetto Extreme Energy Events • Uno strumento formidabile per farci conoscere dai giovani (ma non solo) • La attività nelle scuole • Attività correlate • Risultati • Conclusioni

Il progetto Extreme Energy Events • Studio di raggi cosmici ad altissime energie, attraverso la rivelazione di sciami muonici al suolo • Array di rivelatori distribuiti nel territorio italiano ed istallati presso licei e istituti tecnici • Area coperta 106 km 2

Lo spettro dei cosmici primari • Range di energie • Flusso ad energie estreme • Motivi di interesse

Finalità scientifiche • Rivelazione di eventi con coincidenze tra più telescopi nella stessa città o più lontani per lo studio degli Extensive Air Showers (EAS) • Rivelatori impiegati: MRPC

Estensione degli sciami al suolo L’energia del cosmico primario determina la superficie interessata dallo sciame di cosmici secondari Dalla simulazione: più il primario è energetico più è grande il raggio di apertura dello sciame Studiare sciami estesi = Studiare primari ad energie estreme

km MC simulation (made with the COSMOS generator) of an Extensive Air Shower induced by a 1017 e. V proton. At the ground level 1 million muons (red dots) arrive, over an area with radius at least 2 km. km

Il progetto Extreme Energy Events • Inaugurato nel 2005 • Progetto nazionale ideato dal prof. A Zichichi • Promosso dal Centro Fermi in collaborazione con INFN e MIUR • Si inserisce in una classe di esperimenti largamente diffusi al mondo

NALTA The North American Large-Scale Time-Coincidence Array WALTA SALTA CROP CHICOS detectors CHICOS TECOS SCROD

Hi. SPARC, the Netherlands 30 scuole coinvolte GPS

LIP, portogallo 5 m 8 scuole nell’area di Lisbona + 2 scuole @150 km 150 Km

Distribuzione della rete di telescopi EEE Attualmente è stata completata la prima fase del progetto. Istallati 34 rivelatori (telescopi) in 18 città italiane più uno al CERN

Caratteristiche richieste ● Array esteso (area coperta, ~106 km 2) ● Grande numero di telescopi (circa 100) ● Costo ragionevole ● Funzionamento per lungo tempo ● Efficienza circa 100 % ● Ricostruzione della direzione del muone -> almeno 3 piani (position sensitive) con buona granularità ● Buona risoluzione temporale Scelta: telescopi basati su Multigap Resistive Plate Chambers

Il telescopio • Multigap Resistive Plate Chamber • Vantaggi rispetto agli scintillatori: risoluzione temporale e spaziale Telescopio CA-02 presso istituto Michelangelo, Cagliari

Il rivelatore: MRPC Pick-up electrode Mylar Carbon layer glass Cathode -10 k. V (-8 k. V) (-6 glass Carbon layer Mylar Pick-up electrode In ogni piano 24 strips da 160 cm x 3 cm Miscela di gas: C 2 H 2 F 4 (98%) and SF 6 (2%). k. V) (-4 Gas gaps ~ 300 mm k. V) (-2 k. V) Anode 0 V

• 3 piani di MRPC • Area attiva di ciascun piano 2 m 2 • Trigger: segnale di coincidenza fra tre piani • Tempo assoluto dell’evento fornito da un modulo GPS (risoluzione temporale 100 ns). Questo consente il confronto fra diversi telescopi • Efficienza 95% @18 k. V • Risoluzione temporale (r. m. s)100 ps • La strip colpita e la differenza temporale fra i segnali alle due estremità forniscono una risoluzione spaziale di 1 cm in x e y • Risoluzione angolare nella ricostruzione della traccia (r. m. s. ) 0. 3° Il telescopio EEE

I primi risultati • Numerose città hanno già effettuato prese dati di mesi in condizioni stabili e raccogliendo milioni di eventi • Studio preliminare delle prestazioni dei rivelatori • In alcuni centri sono già attivi più telescopi per la ricerca di coincidenze

I primi risultati a l’Aquila Eventi singola-singola traccia Eventi singola-multipla traccia Risultati dei due telescopi dell’Aquila. Distribuzioni delle differenze di tempi assoluti (GPS) in 15 giorni di run. Distanza fra i telescopi 180 m

• In altre città dove i telescopi sono fra loro a distanze maggiori non sono per il momento visibili picchi di coincidenza evidenti

Comunicare scienza con EEE • Il progetto EEE è un “vero” esperimento di fisica che ha però una finalità non meno importante: coinvolgere i giovani e trasmettere loro la “nostra” passione • I principali destinatari sono gli studenti delle scuole superiori • Ruolo dei ricercatori e dei docenti • Ruolo dell’INFN

In quale realtà si inserisce il progetto? • • Situazione scolastica Studio della fisica e rapporto con l’esperimento Interesse per argomenti “attuali” Formazione “extrascolastica”

La scelta delle scuole a Cagliari 2510 m In città Licei o istituti tecnici Non troppo lontane fra loro Disponibilità di Presidi e Docenti • Licei scientifici Alberti, Michelangelo, Pacinotti 2360 m • • 518 m

Come coinvolgiamo gli studenti • Presentazione del progetto ai docenti e “reclutamento” dei ragazzi • Differenti “modalità” di adesione: volontaria, o “per classi” • La partecipazione al progetto EEE ha avviato nelle scuole una serie di corsi di approfondimento • • Fisica delle particelle Raggi cosmici Rivelatori Elettronica di acquisizione GPS Radioattività Dettagli del progetto EEE Come trasmettere concetti difficili e spesso lontani dall’esperienza quotidiana?

Istallazione preliminare • I primi due telescopi sono stati preliminarmente istallati all’INFN di Cagliari per test • Ritardi nel trasporto nelle scuole dovuti a mancanza di materiale (soprattutto elettronica) • Delusione in molti ragazzi che non hanno potuto vedere i rivelatori nella loro scuola • Istallazione di CA-01 (Pacinotti): Apr 2008 e CA 02 (Michelangelo) Nov 2008

Assemblaggio dei rivelatori al CERN • E’ una fase fondamentale del progetto • Ha permesso di rendersi conto delle problematiche costruttive • A Cagliari: dopo l’istallazione dei primi due telescopi (03/09)

Assemblaggio al CERN

Posa dei piani di vetro Materiali di facile reperibilità diventano strumenti sofisticati

Attività di controllo dati • Gli studenti sono organizzati in piccoli gruppi di varie classi • Efficienza dei rivelatori • Controllano la qualità dei dati raccolti a giorni alterni • Plot di riempimento delle strip • Backup dei dati • Parametri atmosferici

Studio delle prestazioni dei rivelatori Efficienza dei piani vs HV, utilizzando due scintillatori plastici

Plot di riempimento delle strip

Realizzazione di un event display

Controllo qualità dei dati Sistema automatico per la scrittura in rete dei parametri significativi di ciascun RUN

Rate vs pressione atmosferica • Il rate è anticorrelato alla pressione atmosferica • Il rate di acquisizione dei due telescopi è sistematicamente differente e minore rispetto all’Aquila: effetto del materiale sopra i telescopi e dell’altitudine • Lavoro interamente realizzato da un gruppo di studenti • Confronto dei risultati dei due rivelatori

Crosscheck con il secondo telescopio

E’ sufficiente fermarsi qui?

Analisi dati • Corso di programmazione C++/Root • Esercitazioni pratiche sui dati raccolti da due rivelatori • Determinazione della risoluzione spaziale delle MRPC • Si vedono coincidenze?

Differenza dei tempi di arrivo degli eventi nei due telescopi, 30 giorni di run ms Stesso grafico, con correzione per l’angolo delle tracce rispetto alla congiungente i due telescopi ms

Analisi critica del non-risultato • Perchè non osserviamo eventi in coincidenza? • Malfunzionamento? • Telescopi troppo lontani (520 m) segnale/noise troppo piccolo? • Quali controlli effettuare?

Aspetti importanti che occorre incoraggiare • Comunicazione fra le scuole e scambio di informazioni • Competizione • Interazione con le altre città

Come comunicare i risultati agli altri • • Seminari Articoli sulla stampa Blog Mostre

Blog EEE del liceo Pacinotti

Blog EEE del liceo Michelangelo

Mostra scienza – società - scienza • Il progetto è stato inserito nella mostra • Per ragioni logistiche non è stato possibile trasferire un telescopio nei locali della mostra • Allestimento di un piccolo rivelatore di raggi cosmici • Illustrazione del funzionamento da parte degli studenti. Ampia partecipazione e successo di pubblico e domande

Possibili attività correlate • Viaggi di istruzione al CERN • Apertura dei telescopi al pubblico • Confronto con gli esperimenti che hanno le stesse finalità. Visite

Si vedono i frutti? • I ragazzi di 15 -18 anni sono terribilmente assetati di esperienze come quella del progetto EEE • Più di 200 studenti finora coinvolti • Maggiore interesse per le materie scientifiche a scuola • Acquisizione di maggiori conoscenze anche in argomenti correlati • Iscrizione in facoltà scientifiche

Indagine statistica su 290 studenti coinvolti nel progetto EEE (2007) • Domanda: • “Conoscevi di cosa si occupa la fisica moderna prima di partecipare al Progetto EEE? ” • Non hanno risposto: 16% • Le risposte son state Si: 53% No: 47% • 76% hanno indicato argomenti di cui tratta la fisica moderna ed alcuni ne hanno sottolineato gli aspetti applicativi. • 72% hanno chiaramente indicato gli scopi del progetto, di essi tuttavia circa il 2 % ha confuso i rivelatori con gli acceleratori di particelle.

Quali mezzi? • EEE è un progetto di lunga durata che coinvolge scuole e strutture INFN/Universitarie • Gli studenti ruotano annualmente • Trasferimento dei docenti • Problemi • Tagli economici ai progetti scolastici, con fondi regionali

Conclusioni • Progetto di interesse scientifico e di importante rilevanza culturale • Possibilità di comunicare scienza a ragazzi in un’età decisiva per le loro scelte • Forte impegno da parte di scuole e strutture di coordinamento • Difficoltà organizzative, logistiche ed economiche • Volano per innumerevoli attività correlate e interdisciplinari

Si ringraziano docenti e studenti degli istituti di Cagliari: Alberti, Michelangelo e Pacinotti coinvolti nel progetto Extreme Energy Events END

Backup Slides

elettroni muoni protoni

Muoni

Trigger and data acquisition Trigger unit VME crate CAEN Mod. 8010 MRPC Telescope from FE cards GPS Unit 144 channels TDC USB connection to PC VME Bridge CAEN Mod. V 1718 Acquisition and control software based on Labview is being exploited Future developments will include integrated, low-cost electronics

Muoni

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