Dopo aver affrontato lo studio delle astroparticelle ed aver prodotto un sito web ed un
piccolo rilevatore di muoni nel laboratorio del nostro Istituto, con il linguaggio di
programmazione C++ gli allievi hanno prodotto un programma che associa suoni di
diverse frequenze alle traiettorie dei muoni che attraversano il telescopio di Via
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Toledo a Napoli, effettuando una “traduzione” delle coordinate in “accordi musicali”; in
questo modo, ogni muone rivela con una melodia la sua "voce" distinta dagli altri
muoni aventi coordinate diverse.
PREMESSE
Tutti gli appassionati del mondo scientifico sono affascinati dal poter studiare “Fisica
delle particelle” poiché permette di comprendere ciò che ci circonda, partendo
dall’infinitamente piccolo sino all’immenso universo in cui ci troviamo a vivere. Nella
fisica è possibile imbattersi in teorie affascinanti come la teoria della Relatività, la
Meccanica quantistica e la più recente Teoria delle Stringhe, ma anche in sviluppi
tecnologici che hanno reso possibile la conferma o la smentita delle varie ipotesi che
si sono succedute nel tempo.
Purtroppo il tradizionale percorso scolastico non consente di approfondire le
tematiche fisiche più attuali e spesso accade che i ragazzi chiedano approfondimenti
sulle scoperte che sono di evidenza mondiale: la velocità dei neutrini, il Bosone di
Higgs, le onde gravitazionali...
La partecipazione di una classe terza Liceo Scientifico al concorso “A scuola di
astroparticelle” è stata una scelta, forse un po’ azzardata, mirata a potenziare le
competenze trasversali dei ragazzi e a dare un forte impulso all’acquisizione di quei
contenuti ormai imprescindibili nelle competenze degli studenti liceali.
In fondo, pensare di arrivare all’Esame di Stato in quinta superiore a semplici accenni
alla Teoria della Relatività e della Meccanica Quantistica è un po’ come fermarsi a
minime suggestioni su Pirandello in letteratura o a brevi indicazioni sulla Prima Guerra
Mondiale in storia.... Impensabile! Meglio cominciare ad inserire già dall’inizio del
triennio le tematiche più attuali, affiancandole al tradizionale percorso curricolare ed
adattandole eventualmente ai livelli di comprensione dei ragazzi.
ATTIVITA’ SVOLTE
Prendendo spunto dall’audio delle onde gravitazionali, che sono state chiamate il
“respiro dell’Universo”, sono stati associati suoni di diverse frequenze alle coordinate
delle traiettorie dei muoni che attraversavano il rilevatore. I segnali elettrici generati
nel telescopio al passaggio di ogni particella sono stati codificati in logica binaria,
utilizzando software già predisposti all’associazione di suoni a simboli effettuando una
“traduzione” delle coordinate in “accordi musicali”. Successivamente gli studenti sono
stati guidati nell’utilizzo di un linguaggio di programmazione che ha permesso di
costruire un programma in grado di leggere la stringa di un evento “muone che
attraversa il rilevatore” e di trasformarla in una melodia musicale.
ORGANIZZAZIONE
Il progetto è stato sviluppato in diversi momenti didattici:
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• studio dell’evoluzione dei rilevatori di particelle e dei metodi della gestione dati
• analisi della raccolta dati sui muoni del telescopio di via Toledo a Napoli, ed
interpretazione degli stessi
• approfondimento della storia della fisica degli ultimi due secoli e dei principali
successi
conseguiti, attraverso gli scienziati che l’hanno caratterizzata (in
particolare legati al
tema del progetto)
• approfondimenti interdisciplinari
• costruzione del sito web “ascuoladiparticelle3e.com” dove saranno visionabili tutti i
lavori prodotti dagli allievi in formato digitale multimediale (video,
presentazioni, ricerche) per una divulgazione scientifica peer-to- peer da
presentare nelle manifestazioni scientifiche che produce il nostro istituto
(“Settimana Scientifica”, Convegni, Seminari) o che vengono organizzate da
altri Enti Formatori (Università, Centri di Ricerca, Associazioni culturali.
• Creazione del QRcode che, posizionato sui cartelloni e sui manifesti, permette
l’accesso agevolato al sito web.
• la costruzione di un rilevatore di particelle nel nostro istituto
• ricostruzione della “voce dell’Universo” con opportuni software.
LAVORI MULTIMEDIALI DIVULGATIVI PRODOTTI
• l’infinitamente piccolo
• l’infinitamente grande
• i raggi cosmici
• evoluzione dell’universo
• i fisici dell’infinito
• l’infinito filosofico
• le geometrie euclidea e non euclidee
• la classificazione delle forze
• i codici binario ed esadecimale
• software per l’emissione della “melodia” del muone
• la costruzione di un rilevatore di particelle nel nostro istituto
Le attività didattiche svolte nell’ambito del progetto “da -∞ a +∞, la voce dell’Universo”
sono perfettamente inserite nel quadro delle linee guida dei Licei Scientifici che, negli
Obiettivi specifici di apprendimento della fisica, affermano: “....La dimensione
sperimentale potrà essere ulteriormente approfondita con attività da svolgersi non
solo nel laboratorio didattico della scuola, ma anche presso laboratori di Università ed
enti di ricerca, aderendo anche a progetti di orientamento. In quest’ambito, lo studente
potrà approfondire tematiche di suo interesse, accostandosi alle scoperte più recenti
della fisica (per esempio nel campo dell’astrofisica e della cosmologia, o nel campo
della fisica delle particelle)..”
Nell’ambito del concorso rivolto alle scuole secondarie superiori “A scuola di
astroparticelle” bandito dall’ Istituto Nazionale Fisica Nucleare Sezione di Napoli, la
classe III E del liceo “P.S.Mancini” di Avellino si è impegnata nel progetto di fisica
astroparticellare “Da - ∞ a” sfruttando le informazioni e i dati scientifici registrati dal
telescopio della stazione Toledo e trasmessi ad un computer in un’area accessibile
via web.
Tali attività si sono sviluppate anche nell’ambito dell’alternanza scuola-lavoro
organizzato dall’INFN con la presenza di tutor e docenti di altissimo profilo
professionale in attività presso l’INFN, i Laboratori del Gran Sasso ed il CERN.
Gli studenti hanno sfruttato le informazioni e i dati scientifici registrati dal telescopio
della stazione Toledo e trasmessi ad un computer in un’area accessibile via web per
elaborare, con la guida di Docenti, ricercatori e tecnici dell’IFSN, un prodotto
d’intervento dal titolo “Da - ∞ a +∞” che, come dichiara il titolo, ha portato i ragazzi ad
analizzare, nel mondo dell’infinitamente piccolo, la fisica delle particelle, e, nel mondo
dell’infinitamente grande, le dimensioni dell’intero universo.
L’analisi dei dati è stata preceduta da seminari, conferenze, attività laboratoriali che
hanno permesso di approfondire problematiche portanti della moderna ricerca
scientifica relativa alle origini dell’Universo e alla sua composizione ed evoluzione, ma
anche di prendere coscienza degli effetti della radiazione dei muoni, invisibile ai nostri
sensi, sul corpo umano e sull'evoluzione della vita sulla Terra.
In particolare l’attività di analisi dei dati si è centrata sulla ricostruzione della “voce
dell’Universo”.
BREVE DESCRIZIONE DEL PROGRAMMA DI COSTRUZIONE DELLA VOCE DEL
MUONE
COME FUNZIONA IL RILEVATORE DI VIA TOLEDO A NAPOLI ed il software
collegato (dati che ci sono stati forniti dall’INFN):
Mettendo insieme più strisce di scintillatore plastico in grado di convertire
l’energia rilasciata da una particella nell’interazione con la materia in un debole
segnale luminoso accoppiato ad un dispositivo che converte questa luce in un
segnale elettrico, si ottiene una superficie sensibile al passaggio delle particelle
ionizzanti. Due piani di strisce incrociate consentono di rivelare il passaggio
delle particelle e di individuare il punto in cui esse passano (piano x-y)
Disponendo in pila più piani di rivelatori otteniamo un cosiddetto ‘telescopio’,
cioè un apparato in grado di segnalare contemporaneamente su più piani il
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passaggio di una particella ionizzante permettendo di ricostruire la direzione di
provenienza in un sistema tridimensionale.
Con l’aggiunta del totem e la sua connessione al telescopio, i segnali elettrici
generati nel telescopio al passaggio di ogni particella vengono codificati in
logica binaria:
0 indica un rivelatore non interessato e 1 un rivelatore attraversato
Le sequenze di 0 e 1 vengono poi impacchettate in stringhe di numeri secondo
un codice esadecimale. VEDERE FORM ALLEGATO
Le due stringhe successive di 30 caratteri esadecimali ciascuna contengono
l’informazione su quali dei dieci rivelatori x e dieci rivelatori y sono scattati.
All’arrivo di un evento il computer interno del totem decodifica la sequenza di
caratteri esadecimali e ricostruisce l’evento mostrandone le proiezioni x e y e la
sua provenienza dallo spazio esterno.
In un secondo file per ogni evento registra il numero identificativo, l’ora e gli
angoli x-z e y-z.
Esempio :
ST07EE
0100000120080200602200A0160100
00400402401001200800A006006005
ST07EE 10:46:58 18.7 -23.05
COME SONO STATI UTILIZZATI I DATI DA PARTE DEGLI ALLIEVI:
Poiché il concorso prevedeva l’utilizzo dei dati forniti dal telescopio per un’attività
scolastica, i ragazzi hanno deciso di ispirarsi al “respiro dell’Universo” delle onde
gravitazionali.
Sono stati associati suoni di diverse frequenze alle coordinate delle traiettorie dei
muoni che attraversavano il rilevatore. I segnali elettrici generati nel telescopio al
passaggio di ogni particella sono stati codificati in logica binaria e, utilizzando C++, ai
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simboli sono stati associati dei suoni effettuando una “traduzione” delle coordinate in
“accordi musicali”.
In questo modo, ogni muone rivela la sua "voce" distinta dagli altri con coordinate
diverse, a seconda delle coordinate (X, Y) e del piano interessato.
Così, ciascun muone rivela un una melodia di dieci note, una per ciascun piano del
telescopio, che hanno frequenze più alte vicino alle coordinate (0,0) fino ad arrivare
alle note più basse vicino a (10,10).
Ad ora sono coinvolti i 25 allievi dell’attuale classe IV E (ex III E a.s. 2016-2017), i
docenti della classe e i referenti dell’INFN di Napoli, dott. Aramo, dott. Ambrosio e
dott. Mastroserio; quando però il rilevatore di particelle che stiamo costruendo nel
nostro Liceo sarà pronto, ne potranno usufruire i 1500 allievi e 120 professori. Il sito
web è pubblico e dunque può essere liberamente consultato da chiunque sia
interessato.
Più che imparare qualche nozione teorica, credo che il nostro progetto “da -∞ a +∞, la
voce dell’Universo” sia innovativo per l’approccio alla fisica quantistica ed alla
relatività, che sono state presentate ad una terza superiore con risultati sinceramente
strabilianti.
La metodologia della ricerca-azione ha costituito un approccio alternativo, efficace e
motivante allo studio della Fisica.
La scelta di utilizzare anche un approccio didattico con metodologia Scrum ha
consentito un’attività didattica inclusiva dove ogni ragazzo ha potuto affrontare i
contenuti previsti utilizzando i codici che gli erano più congeniali: la ricerca
bibliografica, la programmazione informatica, la costruzione di siti web, la produzione
di video multimediali divulgativi, la produzione di pannelli esplicativi (prodotti che
potremo portare alla mostra), la divulgazione scientifica durante la mostra
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