Un laboratorio didattico-scientifico nella scuola secondaria per l’osservazione dei raggi cosmici attraverso il progetto EEE

Abstract

Il lavoro di questa tesi è stato dedicato alla realizzazione, messa in funzione e analisi dati del telescopio per raggi cosmici del Progetto EEE (Extreme Energy Events) presso il Liceo Scientifico di Catanzaro Lido. Oltre ai suoi interessanti obiettivi scientifici, la peculiarità del progetto EEE risiede nel fatto gli studenti partecipano a tutte le attività. Si è trattato di una esperienza che non è stata solo un semplice lavoro di squadra, ma "apprendimento esperienziale". Tutte le attività sono state organizzate per costituire un'integrazione valida e reciproca con la teoria, non solo come momento di verifica sperimentale di quello che gli studenti hanno imparato in teoria, ma anche come strumento di base per derivare leggi, principi e modelli teorici, partendo dall'esperienza. La prima fase di lavoro mi ha visto coinvolta, assieme agli studenti, nel mettere a punto la strumentazione necessaria alla messa in funzione dei telescopi: assemblaggio e calibrazione dei convertitori DC-DC utilizzati per fornire l'alta tensione di alimentazione, controllo del corretto funzionamento dei due scintillatori utilizzati come rivelatori di riferimento nelle misure di efficienza delle MRPC e controllo delle schede di lettura dei segnali generati dal passaggio di una particella. Nella seconda fase, dopo l'installazione del software opportuno, è stato necessario, con l'acquisizione degli eventi, procedere in un primo controllo sulla qualità dei dati. Abbiamo acquisito un certo numero di eventi e, per un determinato periodo, si è accertata la presenza di una forte componente di "rumore", che ha portato alla ricerca delle cause, discussioni e possibili soluzioni assieme agli studenti. Il controllo e le informazioni sulla qualità dei dati hanno permesso anche l'identificazione di problemi connessi al malfunzionamento di strips che costituiscono il piano sensibile per la conduzione del segnale. In particolare gli istogrammi relativi ai conteggi delle singole strips (hit map) hanno permesso di verificare l'uniformità di funzionamento delle stesse, ma anche di rilevare un numero anomalo di conteggi. Gli istogrammi relativi alle differenze dei tempi di arrivo del segnale alle due estremità delle strips hanno permesso di verificare il corretto funzionamento dei canali dell'elettronica di Front-End e dei TDC. L'analisi di questi dati ha permesso di valutare la propagazione del segnale lungo la strip conduttrice, che è di circa 20 cm/s, e la risoluzione spaziale del rivelatore lungo la strip che è di circa 3.8 cm. Il monitoraggio dell'apparato ed il controllo della qualità dei dati ha rappresentato, e rappresenta ancora, un momento significativo che ha visto la partecipazione attiva e costruttiva degli studenti. Tutto questo ha permesso la partecipazione ad una nuova ed importante fase con l'avvio del cosiddetto Pilot Run, ossia la prova generale di acquisizione dati coordinata, a livello nazionale, dal Centro di Calcolo dell'Istituto di Fisica Nucleare di Bologna, a cui è seguito il Run 1 di presa dati. Al Pilot Run, iniziato il 27 Ottobre 2014, hanno partecipato le scuole con il rivelatore funzionante e con i requisiti necessari quali efficienza delle camere MRPC superiore al 90%, stazione meteo, sistema GPS, software per controllo remoto e software per la trasmissione dei dati al CNAF di Bologna. Le scuole non solo possono trasferire i dati al CNAF, ma vi possono accedere, analizzare e fare il monitoraggio quotidiano. Il CNAF ha infatti un server ed un web server completamento dedicato alle scuole. Un'interfaccia utenti consente di accedere alla cloud computing, ovvero a quell'insieme di alta tecnologia propria dell'architettura client-server. Ad ottobre 2015 è iniziata un'altra interessante fase: il Run 2 con circa 40 telescopi in presa dati. Il telescopio di Catanzaro Lido denota una notevole stabilità ed un rate di acquisizione intorno a 28 Hz. Oltre al monitoraggio quotidiano dei parametri del sistema e delle distribuzioni di controllo, è stato analizzata la correlazione tra il flusso dei muoni e la pressione atmosferica. Le variazioni del flusso sempre state confrontate con i dati ottenuti dalle stazioni di "Neutron Monitor" e con i dati di TESIS. Questo tipo di analisi ha permesso di individuare fenomeni interessanti in corrispondenza di eventi che provocano variazioni nel flusso dei cosmici, quali le diminuzioni Forbush. L'effetto barometrico, ossia l'effetto della pressione atmosferica, induce un'importante variazione al tasso di frequenza dei muoni rivelati dal telescopio EEE. Al fine di correggere i dati sperimentali e poter eliminare la dipendenza del rate dalla pressione atmosferica si è effettuata la stima del coefficiente barometrico. La determinazione del coefficiente barometrico è importante per valutare accuratamente gli effetti della modulazione solare e magnetica ed individuare i periodi in cui non vi fossero disturbi del campo magnetico interplanetario e della magnetosfera. Sono state determinate le variazioni mensili del coefficiente barometrico con riferimento alla nostra postazione di rilevamento, ossia il telescopio posizionato a Catanzaro Lido, quasi a livello del mare (20 m) e al telescopio situato a L'Aquila (circa 700 m). I valori trovati indicano, con particolare riferimento al telescopio situato a L'Aquila, una certa variabilità di tale coefficiente. Esso risulta, in valore assoluto, maggiore ad alta quota rispetto al livello del mare. Le nostre osservazioni sono riferite a brevi periodi ed andrebbero ripetute al fine di avere una statistica adeguata per pervenire a conclusioni più certe. Uno studio appropriato per il coefficiente barometrico necessita, pertanto, un monitoraggio a lungo termine tra pressione e flusso dei raggi cosmici. Il flusso dei muoni è anche un buon indicatore dell’attività solare. L'elevata sensibilità dei telescopi EEE permette di determinare non solo piccole fluttuazioni del flusso dei muoni a causa degli effetti meteorologici, ma anche la variazione per gli effetti legati a fenomeni solari. Il monitoraggio e l'analisi dei dati hanno permesso di verificare le diminuzioni Forbush e fare il confronto con i dati di Oulu Neutron Monitor. Tutte le attività hanno visto la partecipazione attiva e consapevole degli studenti. Il ruolo dell'esperienza è stato riconosciuto come una parte importante dell'apprendimento. Il rinnovamento del curricolo scientifico passa non solo attraverso l'utilizzo della tecnologia, ma anche attraverso l'utilizzo di nuove metodologie didattiche. In ogni attività è stata privilegiata la metodologia IBSE (Inquiry Based Science Education), che consente di esplorare la realtà attraverso l'osservazione, la discussione, la conduzione di indagini, la raccolta e l'elaborazione dei dati. Questa metodologia non privilegia la classica lezione frontale, ma riconosce la centralità dello studente ed utilizza la didattica esperienziale, ovvero "l'apprendimento attraverso la riflessione sul fare". L'apprendere dall'esperienza è una metodologia che promuove la sperimentazione, la scoperta, la riflessività sulla pratica, il confronto e lo scambio di idee nel lavoro di gruppo. Questa metodologia permette di fare didattica non solo in uno spazio fisico, ma come integrazione di due spazi: quello fisico e soprattutto quello mentale. In questo modo l'attività di laboratorio rende lo studente protagonista perché promuove la discussione, il confronto, il ragionamento. Gli studenti, operando in gruppo, hanno acquisito la modalità sperimentale propria della ricerca scientifica, con un aumento di autostima, specialmente negli studenti considerati pigri e meno propositivi. Il laboratorio ha rappresentato il luogo dove si impara facendo (learning by doing). Il buon lavoro svolto dagli studenti e le fruttuose discussioni hanno favorito l’assimilazione di nuovi concetti e contribuito a rafforzare competenze trasversali quali l’attitudine all’organizzazione e al lavoro di gruppo. Tutto questo sottolinea il valore didattico del progetto. L'attività sperimentale, infatti, derivante dalla partecipazione diretta ad un vero e proprio esperimento scientifico con l'interesse di effettuare una ricerca in un campo avanzato, è un modo per migliorare l'apprendimento di argomenti scientifici. Il lavoro di gruppo, “il fare insieme”, ha permesso la condivisione di problemi da risolvere e di compiti comuni da svolgere. Tutto ciò ha favorito uno scambio proficuo per l’apprendimento, ma anche per le relazioni interpersonali nel gruppo. L'utilizzo di tale metodologia non solo assicura un maggior coinvolgimento e la consapevolezza degli studenti, ma permette a tutti di dare un contributo efficace. La prospettiva è proprio: "learning-by-doing- thinking". Questo tipo di esperienza ha avuto anche un valore educativo perché ha creato negli studenti una maggiore autostima che derivava dal percepire i loro progressi. Nello stesso tempo ha offerto a studenti e docenti l'opportunità di:  riflettere sul processo di apprendimento  prendere coscienza delle proprie potenzialità e dei limiti  avere maggiore consapevolezza delle strategie di apprendimento  dare spazio alla creatività e intuizione L'obiettivo formativo principale è stato quello di affrontare il ruolo della scienza e della tecnologia attraverso il lavoro di squadra e la collaborazione reciproca con il continuo scambio di idee e di confronto. Gli studenti hanno acquisito conoscenze e competenze in diversi settori, in particolare:  Fisica: fisica delle particelle, la fisica del rivelatore, l'astrofisica.  Elettronica: componenti elettrici ed elettronici.  Tecnica dei materiali: dispositivi meccanici e materiali.  Informatica: la gestione del software di acquisizione e analisi dei dati, apparati di gestione delle informazioni, l'attuazione di sistemi di controllo remoto. Questo approccio ha creato un ambiente che ha portato benefici sia per l'apprendimento che per il rafforzamento delle relazioni interpersonali nel gruppo. Le attività di laboratorio hanno quindi una funzione pedagogica. Tale laboratorio didattico-scientifico, infatti, non ha rappresentato un semplice lavoro di gruppo ma un apprendimento cooperativo (cooperative learning). Il solo lavoro di gruppo consiste nel collaborare verso un obiettivo comune. L'apprendimento cooperativo è, invece, una modalità focalizzata sull'apprendere insieme l'uno dall'altro, ma soprattutto l'uno per l'altro. Tale attività rispetto alla tradizionale lezione frontale ha permesso un processo di ricostruzione da parte di tutti i partecipanti, compresi i docenti. All'interno dei gruppi si sono potute riscontrare molte biografie, molte forme di coinvolgimento, che sono state espresse, valorizzate e raccolte come ricchezza di apprendimento. L'approccio utilizzato ha stimolato negli studenti la curiosità nei confronti di una questione difficile, come l'indagine della fisica dei raggi cosmici e rivelatori di particelle, creando un ambiente stimolante e collaborativo, permettendo la condivisione delle conoscenze assieme ad una maggiore capacità di affrontare la complessità di un processo in modo graduale. Come sottolineato in precedenza, una parte importante del Progetto EEE risiede nella sua possibilità di essere un metodo molto efficace per comunicare il significato della ricerca scientifica agli studenti che lavorano in stretto contatto con docenti, ricercatori e tecnici delle Università, INFN e Centro Fermi. Dal punto di vista delle attività di comunicazione e sensibilizzazione scientifiche, questo è un importante valore aggiunto al progetto