La giornata dei raggi cosmici: l’iniziazione degli adolescenti alla fisica moderna

Conversazione con la dott.ssa Silvia Pisano, fisico nucleare presso il Centro Ricerche Enrico Fermi di Roma e i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN

Di Serena Ricci

19 novembre 2021

L’International Cosmic Day è nato dalla collaborazione a livello mondiale fra i laboratori tedeschi DESY, Netzwerk e Teilchenwelt, il gruppo internazionale di outreach per la fisica delle particelle (IPPOG), l’associazione noprofit per lo sviluppo della forza lavoro americana sulle tecnologie (QuarkNet) e il laboratorio di fisica delle particelle di Chicago (Fermilab). L’intento di questa giornata è quello di avvicinare gli studenti delle scuole superiori a questa tecnica di studio dell’universo mediante un lavoro sul campo in collaborazione con gli scienziati di varie nazioni (dagli Stati Uniti al Messico, dalla Germania alla Francia e all’Italia). In Italia, in particolare, il Centro Ricerche Enrico Fermi (CREF), i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), il Gran Sasso Science Institute (GSSI), l’Università dell’Aquila e numerose altre sedi dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), hanno lavorato insieme per proporre alle scuole una variegata serie di eventi telematici, interattivi o in presenza. Nell’ambito delle attività proposte dalla Collaborazione Extreme Energy Events (EEE) – un’iniziativa congiunta del Centro Ricerche Enrico Fermi (CREF) e dell’INFN - si è svolta online, il 10 novembre scorso, una conferenza articolata in diversi contributi, tra cui in un’introduzione alla fisica dei raggi cosmici, una descrizione delle tecniche con cui essi vengono rivelati nonché possibili applicazioni. La fisica delle particelle elementari è nata dall’osservazione dei raggi cosmici, in particolare di quelli secondari, che rappresentano il miglior laboratorio naturale per lo studio di particelle ad alta energia. Grazie a iniziative di questo tipo si permette agli studenti di avvicinarsi ad una tematica moderna affrontata in modo solamente teorico nei programmi scolastici, focalizzati sullo studio della fisica classica. Per orientarci si riporta una preziosa conversazione con la dott.ssa Silvia Pisano, fisico nucleare presso il Centro Ricerche Enrico Fermi di Roma e i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN, nonché degna rappresentante del confronto di idee in atto tra i ragazzi di via Panisperna.

Dott.ssa Pisano com’è nata quest’idea di coinvolgere gli studenti di liceo nell’esperimento di rivelazione dei raggi cosmici?

Quando ero piccola per cercare un’informazione mi servivo dell’enciclopedia. Ora, attraverso il web, c’è un’immensa disponibilità di informazioni, che però non sono sottoposte a controlli adeguati e che possono essere facilmente falsificabili. Negli anni Ottanta, grazie alle modalità allora disponibili di accesso al sapere, avevamo maturato un senso critico che ci permetteva di valutare l’affidabilità delle fonti, essendoci istruiti sulle enciclopedie, che costituivano sempre una base affidabile da cui partire, anche se non necessariamente completa. I ragazzi di oggi non hanno modo di valutare l’affidabilità delle informazioni reperite via internet, e pertanto coinvolgerli in un’attività di ricerca a carattere professionale permette di svilupparne il senso critico e di educarli all’esercizio del metodo scientifico.

Simulazione degli sciami generati nell'interazione dei raggi cosmici con l'atmosfera terrestre

Ma l’oggetto di questo esperimento in cosa consiste?

Il Progetto EEE nasce nel 2004 come esperimento sui raggi cosmici che, al tempo stesso, include un'importante componente di divulgazione scientifica all'interno delle scuole superiori, in quanto i rivelatori sono installati presso gli istituti di istruzione secondaria italiani. Scopo del progetto è studiare gli sciami di raggi cosmici secondari prodotti nell’atmosfera dalla componente primaria, ricostruendone l’impronta a terra attraverso le diverse stazioni di rivelazione.
Il progetto di collaborazione EEE tra centri di ricerca come il CREF e l’INFN e le scuole è stato un tentativo per facilitare l’orientamento e lo sviluppo delle passioni dei giovani e il reperimento di un riscontro?
In una società piena di input è importante che si renda noto quanto sia bella la fisica. Noi offriamo un assaggio della scienza coinvolgendo gli studenti in un verso e proprio esperimento scientifico, perché si riesce a comprendere a fondo il fascino della fisica soltanto quando la si esercita. Con un coinvolgimento diretto, si consente ai ragazzi di avvicinarsi ad ambiti estremamente suggestivi della fisica moderna - quali ad esempio la meccanica quantistica o la relatività speciale - con i quali al liceo ancora non ci si confronta, dal momento che si studia principalmente la fisica classica.

Può fornirci una breve spiegazione sui raggi cosmici e sulla loro importanza scientifica?

I raggi cosmici primari sono nuclei totalmente ionizzati che, arrivando dallo spazio galattico o extragalattico, interagiscono con l’atmosfera producendo i cosiddetti raggi cosmici secondari, che noi riveliamo sulla terra: tra di essi i muoni, particelle elementari che decadono dopo pochi microsecondi e che pertanto, considerando la distanza che devono coprire, non dovrebbero avere tempo di raggiungere il terreno. Avendo una velocità prossima a quella della luce, però, i muoni sperimentano, nel proprio sistema di riferimento, un rallentamento nello scorrere del tempo - correttamente previsto dalla teoria della relatività speciale di Einstein - e questo consente loro di raggiungere terra prima di decadere. Studiare la natura dei raggi cosmici ci permette di trarre informazioni sulla composizione delle parti di universo da cui essi arrivano.

Cosa intende per spazio?

È lo spazio galattico o extragalattico in cui i raggi cosmici primari viaggiano prima di raggiungere la terra. Durante questo viaggio, possono interagire con eventuali mezzi interstellari e subire meccanismi di accelerazione che ne influenzano l’energia. 

Nebulosa Rosetta (Telescopio spaziale Hubble)

Ma l’osservazione dei raggi cosmici come avviene? Sono visibili?

Non ad occhio nudo. Possono però venire individuati da opportuni rivelatori grazie all’effetto che essi provocano nel mezzo attivo del rivelatore stesso. Quando passano in una regione contenente un gas, ad esempio, essi ne ionizzano le molecole inducendo un segnale elettrico facilmente misurabile. I rivelatori utilizzati nel Progetto EEE si basano su una tecnologia di concezione simile a quella utilizzata nell’esperimento ALICE al CERN, uno dei contesti più all’avanguardia nel mondo. 

Qual è l’interazione tra la fisica e le altre scienze? 

La fisica interagisce con tante altre discipline: al CREF portiamo avanti una ricerca multidisciplinare, che va dalla cosiddetta “blue sky science” fino allo studio di applicazioni della fisica in ambiti estremamente attuali. A seconda della branca della fisica in cui si opera è possibile entrare in contatto con altre discipline, ad esempio la chimica o la biologia, che studiano sistemi con livelli di aggregazione via via maggiori. Come fisici nucleari, tuttavia, andiamo a guardare quelli che sono i gradi di libertà fondamentali, i costituenti ultimi della materia.

In cosa la fisica differisce dalla matematica?

La matematica è un linguaggio, quello della scienza, e la fisica, come tale, parla la lingua della matematica, finalizzando il discorso alla comprensione dei fenomeni naturali, in piena soddisfazione del vincolo fenomenologico che è alla base dell’esercizio di ogni attività scientifica. Ma ci vogliono curiosità e tenacia per seguire questo percorso. 

Come mai il Centro di ricerca Enrico Fermi si trova all’interno del Viminale? 

La palazzina che ospita il CREF è il luogo dove lavoravano, sotto la guida Enrico Fermi, i famosi ragazzi di Via Panisperna; esso era sorto dopo l’unificazione del Regno d’Italia, quando si volle creare una collina delle scienze installando qui diversi istituti scientifici. Dopo alcuni decenni, tuttavia, gli istituti furono spostati presso la Sapienza, e la palazzina venne inglobata nel Ministero dell’interno. Nel 1999 fu istituito il centro di ricerche (un Ente Pubblico di Ricerca vigilato dal MUR), volto a recuperare la memoria scientifica e storica dell’importante edificio, i cui ambienti sono stati inaugurati vent’anni dopo, nell’ottobre del 2019, insieme con l’annesso museo dedicato a Fermi, oggi visitabile. Il COVID ha rallentato i lavori di apertura al pubblico dell’edificio, ma non la ricerca.