Il Progetto MAGICD R Faraldo E Prandini A

Il Progetto MAGIC-D R. Faraldo, E. Prandini, A. Saggion, V. Scalzotto Progetto Lauree Scientifiche – Padova Dipartimento di Fisica G. Galilei – Univ. di Padova INFN Sezione di Padova 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 1

Nell’ambito del Progetto Lauree Scientifiche, Orientamento e Formazione degli insegnanti, il progetto MAGIC-D si propone alle scuole secondarie di II grado, il progetto “MAGIC-D” ideato da: prof. Antonio Saggion (Dipartimento di Fisica “G. Galilei” dell’Università di Padova, INFN sez. di Padova); prof. ssa Rossella Faraldo ( INFN sez. di Padova). Il progetto Magic. D, oltre che proporre un’esperienza di studio e orientamento specifico per gli studenti, vuole soprattutto offrire per i docenti una possibilità di ricerca didattica orientata alla focalizzazione di percorsi trasversali. 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 2

MAGIC-D costituisce una concreta occasione di rivedere e riorganizzare programmi disciplinari specifici e introdurre, nel Piano dell’Offerta Formativa dell’Istituto, trasversalità atte a sviluppare strategie orientative negli studenti, relativamente ai vari corsi offerti nella Scuola secondarie di II grado. 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 3

La prospettiva che si propone è la possibilità di creare per i Docenti una situazione di ricerca didattica e di aggiornamento permanente. Innovazione nei programmi disciplinari e nella metodologia didattica. 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 4

Il Progetto MAGIC-D propone lo studio dell'esperimento MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov), nome del più grande telescopio per la ricerca dei raggi gamma situato a La Palma, nelle Isole Canarie. MAGIC-D è una esperienza che porterà un piccolo gruppo di studenti meritevoli ad uno stage a La Palma, per costruire la conoscenza specifica in loco sperimentando. 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 5

Proposta per i docenti I docenti referenti presso gli istituti che parteciperanno all’iniziativa, dovranno realizzare una programmazione che tenga conto dei seguenti temi: § Elementi di astronomia con riferimento alla programmazione scolastica specifica (ad esempio: struttura del sistema solare; moto di rivoluzione e di rotazione terrestre; il moto della volta celeste osservato dalla Terra) §Elementi di cosmologia §Elementi d’informatica §Attività di laboratorio §Conoscenza del Metodo Scientifico 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 6

Sarà organizzato un ciclo di Seminari per Docenti sulle tematiche: §Elementi di Cosmologia §“L’informazione” dalle diverse sorgenti: la loro radiazione come generazione di flussi di “particelle di luce” e “particelle materiali”; §Particelle di diversa energia §Rivelazione delle “particelle di luce” nelle diverse energie §Fisica e computing - Il ruolo delle simulazioni - L’attribuzione di significato al “dato grezzo” ; l’esempio di Magic §Il mondo di Grid e di Condor; l’analisi dei dati suddivisa tra tutti i computer collegati in rete e sparsi per il mondo §La composizione di tutte le informazioni in un quadro unitario di osservazione; la necessità dell’unificazione; Modello Standard in Cosmologia §Rapporto tra installazioni scientifiche avanzate e tecnologia; innovazione ed industria; normative europee sulle produzioni e sulla sicurezza §Storia della collaborazione europea al Progetto Magic; un “luogo” di crescita dell’Europa. Le collaborazioni scientifiche come “luoghi” di crescita per una Scienza senza frontiere. 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 7

Proposta per gli studenti Tutte le attività proposte ai docenti permetteranno, anche in questo caso, di sviluppare all’interno delle classi interessate i contenuti scientifici del Progetto stesso, che saranno successivamente condivisi on-line su piattaforma appositamente realizzata. Il modello che si intende seguire è quello indicato dall’enciclopedia libera on-line Wikipedia (http: //it. wikipedia. org/wiki/Wikipedia). Si intende, infatti, realizzare un ipertesto che sarà via arricchito con lo scopo di entrare nel dettaglio dei temi scientifici trattati. 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 8

Tutte le attività e gli approfondimenti proposti svilupperanno: un ambiente di sperimentazione diretta mediante attività laboratoriali § una metodologia didattica orientata sia all’integrazione delle scienze sia allo sviluppo della flessibilità strategica nello studente. § 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 9

Il Via alla “prospettiva” Docenti avverrà 20 aprile alle ore 15. 30 con la collaborazione dell’ Ufficio Scolastico Regionale del Veneto e dell’ INFN – Sez. di Padova -- presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Padova -- “Progetto Lauree Scientifiche (PLS)” “Progetto Magic Didattico” Programmazione di un percorso didattico per Unità di Apprendimento a carattere trasversale” 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 10

Il Progetto MAGIC-D a La Palma 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 11

Il progetto MAGIC-D a La Palma n n Esperienza nata con l’intento di rendere accessibile esperimento di frontiera a studenti di scuola superiore Per toccare con mano che cosa significhi fare ricerca oggi Le “opportunità” presentate da MAGIC: n L’isola di La Palma (il “paradiso” dei telescopi) n Contatto diretto con giovani ricercatori dell’esperimento 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 12

MAGIC (Major Atmosferic Gamma Imaging Čerenkov telescope) telescopio per luce Čerenkov di nuova generazione 2 telescopi con superficie parabolica composita di 17 m Ø. 240 m 2 di superficie riflettente. Altitudine: 2200 m s. l. m.

Obiettivi scientifici Sorgenti di raggi 50 Ge. V < E < ˜Te. V Galattici: • SNR (Super Nova Remnants) • PULSAR • MICROQUASAR Extragalattici: • AGN (Nuclei galattici attivi) • GRB (Lampi di luce gamma) • WIMP (possibili candidati di materia oscura)

Raggi Cosmici: composti al 99% da particelle cariche (p, H+, He++, e, . . . ) Raggi Gamma: non deviati dai campi magnetici interstellari. Portatori di informazione relativa alla direzione di provenienza. Al contatto con l’atmosfera, cascata di particelle secondarie: Sciami Atmosferici con differente struttura a seconda della natura della particella primaria. Lo studio di queste differenze sta alla base della tecnica di rilevazione del segnale gamma, sommerso nel fondo adronico

Formazione dell’immagine Emissione ad un’altezza media di ≈ 8 Km s. l. m. Estensione per ≈ 5 Km. Alta atmosfera: densità dell’aria minore piccolo angolo Čerenkov ↓ Luce focalizzata vicino al centro della camera Bassa atmosfera Maggiore densità dell’aria angolo Čerenkov più grande ↓ Luce focalizzata lontano dal centro della camera

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Il progetto MAGIC-D a La Palma n n n - 8 giorni di esperienza nell’isola 2 tutors appartenti al gruppo di ricerca dell’esperimento MAGIC (dott. ssa Elisa Prandini, Ph. D Villi Scalzotto) Agenda: http: //agenda. infn. it/conference. Display. py? conf. Id=1696 fase propedeutica: 5 gg. lezioni al CALP seguiti da 3 gg. (o, meglio, 2 notti!) nel sito del telescopio 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 18

Selezione Criterio 2009: n Ultimo anno delle scuole superiori n Media di presentazione all’esame di maturità n Media dei voti delle materie scientifiche n Tema svolto dal candidato sulle motivazioni personali n Un ragazzo per ogni provincia del Veneto (per il 2010 i criteri verranno concordati con le scuole partecipanti al programma completo) Comunicazione dei vincitori alle scuole e direttamente ai vincitori. Incontro di presentazione dell’esperienza con gli studenti selezionati prima della partenza. 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 19

Attività n 4 principali aspetti affrontati in maniera il più possibile parallela: n n Didattica – lezioni teoriche Attività pratiche – esercitazioni sperimentali Esperienza presso l’Osservatorio Articolo – studio individuale di un articolo scientifico 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 20

1. Lezioni teoriche Lezioni mattutine presso il centro di ricerca CALP Argomenti affrontati propedeutici alla salita al Roque (dove è situato MAGIC). Dallo spettro di emissione allo spettro gamma della nebulosa del Granchio, buchi neri e nuclei galattici, sciami atmosferici, tecniche di separazione segnale/rumore, analisi dei dati, ecc… Programma molto ambizioso, ma accessibile grazie a: – Una severa selezione degli studenti – Un attento adattamento dei contenuti a livelli appropriati 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 21

7/10/09 MAGIC. . . a w indow on the Universe e. m. spectrum and γ-rays Cosmic rays CCD technique Atmospheric showers “Horizons” in Astrophysics The site Hillas parameters γ-h separation: The island of La Palma classification Calibration and method Image cleaning The MAGIC Telescope Security issues Spectrum 17 September 2021 Computing Comunicare Fisica 2010 - Frascati 22

2. Esperienze Pratiche Misura della distanza della Luna tramite triangolazione (foto della Luna e di una porzione di cielo visto da diversi punti del pianeta collegandosi via Skype ad altri ricercatori a Barcellona e in Estonia) Misura del raggio del pianeta Terra effettuata osservando il Sole scendere al tramonto Coffee break…con gli specchi del telescopio MAGIC (uno specchio da 1 mq)! Separazione gamma/adrone (ovvero del segnale “buono” rispetto al rumore di fondo) fatta riconoscendo le immagini degli sciami atmosferici, una ad una! Notte di osservazione del cielo notturno ad occhio nudo PRO: Approccio efficace al Metodo Scientifico! 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 23

. . a proposito di problem solving. . • Nelle esperienze pratiche (distanza della Luna, raggio della Terra, presa dati del telescopio) conoscenza diretta della realtà della fisica sperimentale…! • Cattivo tempo atmosferico, errori hardware e software, errori umani … • “Non mi sarei mai aspettato che Fare Scienza significasse scontrarsi con così tanti problemi e doverli risolvere senza una procedura ben definita. . Per prendere dei dati non basta premere un bottone!” • “La fisica sperimentale è davvero emozionante! Bisogna osservare, dedurre, ideare, verificare, ricorreggere il tiro e. . ripartire!” 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 24

3. Osservatorio 3 giorni (2 notti) presso l’osservatorio del Roque de Los Muchachos Condivisione degli spazi e dei tempi di una giornata tipo dei ricercatori MAGIC data taking: 2 gruppi di 4 ragazzi (per questioni di sicurezza). Visita dettagliata del sito di MAGIC con approfondimento sui diversi sottosistemi. Partecipazione alle procedure di avvio della presa dati nella sala di controllo insieme ai ricercatori • Visita ad altri telescopi, con incontro e approfondimento al telescopio scandinavo NOT • Osservazione notturna del cielo ad occhio nudo e con un piccolo telescopio ottico (nella notte di San Lorenzo!) PRO: lingua inglese - conoscenza dei ricercatori - comprensione dell’esistenza di diverse tecniche di osservazione a seconda degli obiettivi astronomici - esperienza 17 September 2021 di che cosa sia la fisica, come Comunicare Fisica 2010 - Frascati 25

4. Articoli di MAGIC “Questo sarà il tuo articolo per questa settimana…” Articoli in lingua inglese Assegnazione il primo giorno Presentazione dell’articolo al resto del gruppo previsto per l’ultimo giorno 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 26

PRO: -“Appena ricevuto non ci capivo davvero nulla. Ora qualcosa mi è molto più chiaro” “In questa settimana sono cresciuto!” - Una buona metafora di che cosa significhi studiare Comunicare Fisica 2010 - Frascati 27 17 all’Università! September 2021

Strumenti di valutazione e risultati ottenuti Mappa mentale: prima attività didattica. “Come percepisco l’Universo con i 5 sensi? ” Il primo lavoro condiviso dai ragazzi, per una valutazione del gruppo. Risposta positiva: buona selezione del gruppo, apertura dei ragazzi, omogeneita’ 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 28

Verifica in itinere: C. E. D. A. C. tecnica di valutazione in cui gli studenti riportano, riorganizzandole, le informazioni chiave del giorno Blog aggiornato quotidianamente http: //stagemagiclapalma. blogspot. com/search? updated-min=2009 -0101 T 00%3 A 00 -08%3 A 00&updated-max=2010 -01 -01 T 00%3 A 0008%3 A 00&max-results=1 • Verifica delle conoscenze acquisite dai ragazzi e dei loro eventuali dubbi • Occasione per studenti di fare mente locale • Funzione di aggregazione e comunicazione in tempo reale con chi era a casa 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 29

Verifica finale prima del rientro Verifica a posteriori: valutazione scritta degli studenti 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 30

Risultati ottenuti: ragazzi (Tratto dalla relazione finale dei ragazzi) • Lingua inglese • Contatto diretto con la fisica e il “fare fisica” reale • Esperienza entusiasmante! • “Non sono solo!” • “Da grande voglio fare il fisico”!! “Questa esperienza mi ha permesso di capire che il fisico non è colui che sa tutto di tutto, ma colui che sa cercare la soluzione ad un problema” 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 31

Risultati ottenuti e ricadute positive Esperienza positiva di interazione tra scuola e ricerca Risonanza mediatica molto buona e diffusa nel territorio Possibilita’ per gli insegnanti di arricchire la proposta didattica Interesse espresso dagli altri gruppi stranieri appartenenti alla collaborazione MAGIC Auspicabile che la cosa venga estesa ad altri esperimenti INFN Comunicare Fisica 2010 - Frascati 17 September 2021 32

Prospettive future • In corso la realizzazione della seconda fase (Anno Scolastico in corso e seguente) per la regione Veneto: • MAGIC-D entrera’ nella programmazione scolastica tramite coinvolgimento attivo di docenti e classi • Stage a La. Palma • Il progetto riuscira’ a coinvolgere molte piu’ persone In cantiere estensione nazionale (? Friuli - ? Toscana) e internazionale (? Spagna - ? Germania) 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 33

Conclusioni • Il progetto MAGIC-D e’ nato nel 2009 come risposta all’esigenza di avvicinare il mondo della ricerca a quello scolastico • Durante questa prima fase pilota due tutors hanno accompagnato per una settimana 8 studenti veneti neo-diplomati all’isola di La. Palma dove si trova un centro di ricerca in astrofisica e il sito del telescopio MAGIC • L’esperienza e’ stata un vero successo! • Estensione di MAGIC-D: in aggiunta all’esperienza in situ, stiamo avviando una collaborazione con i docenti e le loro classi, che verranno coinvolti nel Comunicare Fisica 2010 - Frascati 17 September 2021 dell’anno scolastico corso 34

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Costi Circa 1000 euro / studente comprensivi di: • Viaggio aereo • Tutors • Noleggio 2 auto per spostamenti • Salita e discesa al Roque con minibus • Pernotti in hotel e osservatori, a mezza pensione • Visita ai vulcani Per un totale di circa 15000 euro 17 September 2021 Comunicare Fisica 2010 - Frascati 36

Possibili aspetti trasversali: Considerazioni sulla figura e il ruolo dell’osservatore scientifico; Interazione dell’osservatore con l’ambiente esterno; Analisi delle problematiche connesse alla scelta del sito dell’osservatorio (dal punto di vista ambientale): quali caratteristiche favoriscono questo tipo di osservazioni, che cosa e’ necessario, qual’e’ l’impatto sull’ambiente di queste installazioni, quali possono essere le ricadute tecnologiche Domini di conoscenza coinvolti: fisica, geologia, ingegneria (ambiente, meccanica, elettronica)

Hillas Parameters Gamma event selection by the study of the image obtained, by a first order approximation of the image with an ellypsis and the evaluation of the “Hillas parameters” GAMMA HADRON MUON

Cherenkov radiation The spectrum of the Cherenkov radiation is: (arbitrary units) n: refractive index (1. 00029) b: v/c a: 1/137 fine struct. constant By considering the atmospheric absorption, the peak of the distribution is around 350 nm. Light emitted at 10 km Light detected at 2 km d 2 N/dxd 1/ 2 Wavelength The atmospheric model considers the following density and index:

AGN unified model - Schematic

Blazar properties • Smooth, broad, non-thermal continuum (radio to -rays) • Jet beaming ( ~ o(10)) => strong flux amplifications Modelling of highly relativistic shocks difficult • Fast flux variations Beppo. SAX ‘ 97 -’ 99 Self Synchrotron Compton (SSC) • very intense Synchrotron radiation => main target photons for Inverse Compton scattering Suzaku ‘ 06 MAGIC ‘ 06

The stereo reconstruction

Integral sensitivity Integral flux sensitivity (50 h) ~5% of Crab E > 100 Ge. V