La costruzione di un rivelatore di particelle "fatto in casa" non è una cosa semplice data la difficoltà di reperimento di materiali e i relativi costi. Nell’ambito delle ricerche istituzionali INFN abbiamo realizzato un rivelatore a scintillazione compatto ed economico, basato su Arduino Due, che racchiude tutte le funzionalità di un moderno detector di fisica delle particelle. ArduSipM sarà utilizzato dalla scuola di Fermo vincitrice del CERN beamline for schools 2017 nel loro esperimento al CERN per la rivelazione della radiazione Cherenkov. Durante la giornata verrà mostrato come assemblare il rivelatore, come utilizzare i programmi di acquisizione e controllo, verranno spiegate le sue funzionalità e si imparerà come usarlo in esperienze didattiche per la rivelazione di raggi cosmici o misure di radiazione ambientale.
Il Kit, completo di tutto il necessario, è acquistabile da terze parti sotto licenza INFN https://www.asimmetrie.it/as-illuminazioni-rivelatori-fai-da-te

I rivelatori gravitazionali risonanti utilizzano come elementi sensibili cilindri delle dimensioni di circa tre metri di lunghezza e 60 centimetri di diametro, del peso di due tonnellate, raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto. Il materiale utilizzato è una lega di alluminio, con speciali caratteristiche meccaniche e termiche. Nel corso dell'esperienza, dopo aver discusso le principali caratteristiche di un rivelatore gravitazionale risonante, si misureranno alcune delle proprietà dei materiali utilizzati, a temperatura ambiente e alla temperatura dell'azoto liquido.

Il nostro mondo è popolato da tanti e diversi tipi di materiali: ciò che sorprende è che questa grande varietà di materia sia composta di pochi e relativamente semplici elementi chiamati atomi. Gli atomi, con la loro dimensione di frazioni di nanometro (un decimo di miliardesimo di un metro) sono invisibili anche al migliore microscopio ottico. Per “vedere” gli atomi ed esplorare il mondo al di là delle sue proprietà macroscopiche, è necessaria una luce che non è quella visibile. Questa luce, o meglio i raggi X, hanno una lunghezza d’onda ben più corta della radiazione visibile e quindi adatta a studiare elementi piccoli come gli atomi. Gli acceleratori di particelle nati per studiare la fisica fondamentale, sono nel tempo diventati anche ottime sorgenti di luce (luce di sincrotrone) e in particolare di raggi X. Studieremo l’evoluzione delle sorgenti di luce di sincrotrone, le loro caratteristiche e le nuove prospettive di ricerca che si aprono anche nell’ambito degli studi sulla struttura atomica della materia.

L' attività di questo gruppo di lavoro sarà di tipo teorico e sperimentale, e incentrata sui seguenti argomenti inerenti la Meccanica Quantistica:

• determinazione della costante di Planck a partire dalla misura della tensione di conduzione di due LED che emettono su lunghezze d'onda diverse;
• discussione sui fondamenti della teoria (dualità onda-corpuscolo, quantizzazione dei livelli energetici, principio d'indeterminazione, non-località)

Aula Seminari
Ed. 36

CARATTERIZZAZIONE DI MATERIALI MEDIANTE DIFFRATTOMETRIA A RAGGI X
G. Cappuccio, C. Veroli

L'esperimento vuole illustrare le possibilità analitiche offerte dalla diffrattometria a raggi X per l'analisi dei materiali solidi e delle polveri. La lezione introduttiva alle tecniche di diffrazione con sorgenti tradizionali sarà completata presentando i vantaggi nell'utilizzo della Luce di Sincrotrone. Dopo una breve visita alle linee del laboratorio "Dafne Luce", seguirà nel laboratorio "XLab" la presentazione dell'apparato strumentale. Verrà raccolto un diffrattogramma da monocristallo di silicio e successivamente, dopo un cenno alle tecniche di preparazione, verrà raccolto un diffrattogramma da polvere di silicio con il riconoscimento del campione utilizzando una "database". Verranno inoltre presentate alcune problematiche analitiche con riferimento al settore dei beni culturali. Sarà distribuita ampia documentazione e bibliografia.

Aula Conversi
Ed. 57

L'attività sperimentale sarà incentrata sulle tecniche di rivelazione di particelle con materiali scintillanti. In particolare, verra' fornita una breve descrizione delle tecniche utilizzate per la calorimetria a scintillazione, illustrando l'uso dei cristalli scintillanti e la loro applicazione nell'esperimento Mu2e. Verranno quindi presentate e utilizzate le diverse tecniche di lettura dei segnali ottici partendo dai fotomoltiplicatori fino ai fotorivelatori al silicio. In laboratorio verranno utilizzati sia diversi tipi di cristalli (CsI, BaF2) che, gli innovativi fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) attualmente molto usati in fisica delle alte energie. Scopo dell'esperienza sarà quello di comprendere vantaggi e svantaggi delle nuove tecniche di rivelazione rispetto a quelle del passato.

BRUNO, PIERRE E IL MISTERO DELLA CARICA PERDUTA: PERCORSO STORICO E SPERIMENTALE ALLA SCOPERTA DEI RAGGI COSMICI.
G. Felici, M. Gatta, C. Gatti

Nel 1785 Coulomb osserva che corpi carichi isolati perdono la carica spontaneamente. Come mai? Ci vorrà piu' di un secolo per risolvere questo mistero e scoprire il "colpevole". Partendo da questo aneddoto ripercorreremo una storia fatta da viaggi con palloni, immersioni sott'acqua, lingotti d'oro ed esperimenti sotto i bombardamenti, che porto' alla scoperta dei raggi cosmici e alla nascita della moderna fisica delle particelle. Seguendo le impronte di protagonisti come Bruno Rossi e Pierre Auger ripeteremo, nei limiti di tempo a noi concessi, alcune delle esperienze che portarono a queste grandi conquiste utilizzando rivelatori a scintillazione e altra strumentazione di laboratorio.

SULLE TRACCE DELLE PARTICELLE: LA COSTRUZIONE DI UNA CAMERA A NEBBIA. PROPOSTA DIDATTICA PER DIVENTARE DEI "DETECTIVE DELLE PARTICELLE"
C. Curceanu, R. Fabrianesi, R. Giovannucci, L. Ronci

Con materiali relativamente poveri si può costruire una camera a nebbia con un costo contenuto. Le tracce delle particelle (da una sorgente oppure raggi cosmici) possono essere così viste e i principi della rivelazione delle particelle dimostrati sul campo e discussi. Verrà presentato il funzionamento e la costruzione di una tale camera a nebbia, assieme alla fisica delle particelle (inclusi i raggi cosmici e sorgenti) che la descrive. Un tale progetto può essere facilmente riprodotto a scuola dove i ragazzi possono divertirsi, diventando dei "detective delle particelle".

NANOTECNOLOGIA E STRUMENTAZIONE AVANZATA
S. Bellucci, O. Calamai, F. Micciulla

Si presenteranno le recenti innovazioni nel campo della nanotecnologia, con particolare riferimento alle movimentazioni di campioni all'interno delle camere da vuoto, con risoluzione dell'ordine del nanometro. Le applicazioni di elezione spaziano dalla biomedicina all'elettronica (in particolare la sensoristica), all'aerospazio. Verranno illustrate le principali tecniche di caratterizzazione di materiali avanzati e dispositivi nanostrutturati, tramite microscopia elettronica e spettroscopia.

Tecniche di diagnostica per i beni culturali: applicazioni della spettroscopia infrarossa allo studio della sezione stratigrafica di un'opera d'arte. Applicazione dei raggi X
M. Cestelli Guidi, A. Gorghinian

Il gruppo lavorerà sulla caratterizzazione, tramite spettroscopia infrarossa, dei materiali che compongono le sezioni stratigrafiche di un dipinto e sull'individuazione degli elementi presenti in un campione per mezzo della fluorescenza a raggi X (XRF). Nella prima parte della giornata verranno presentate le caratteristiche della luce di sincrotrone nell'infrarosso ed i suoi vantaggi nello studio dei manufatti artistici e l'applicazione dei raggi X in tecniche diagnostiche non distruttive nello studio di opere d'arte. Nel pomeriggio l'attività si sposterà nel laboratorio di luce di sincrotrone dove si potrà realizzare una misura di microscopia infrarossa su provini e su campioni prelevati da opere d'arte per la generazione delle immagini stratigrafiche. Successivamente nel laboratorio di radioprotezione si esaminerano campioni di tipo diverso per mezzo della XRF.

Lab. Dafne Luce
Ed. 12

Lab. Fisica Sanitaria
Ed. 15

L'ELETTRONICA NEL MONDO DELLA FISICA DELLE PARTICELLE: DAI PRIMI ESPERIMENTI DI ALTE ENERGIE FINO AI NOSTRI TEMPI
P. Albicocco, M. Beretta, E. Capitolo, R. Messi

L’evoluzione storica dell’elettronica ha permesso di realizzare esperimenti sempre più complessi grazie alla notevole riduzione dei costi e alla sempre maggiore integrazione dei componenti.
La digitalizzazione dell’informazione e lo sviluppo dell’elettronica di consumo permettono anche la realizzazione di semplici esperimenti a bassissimo costo.
Realizzeremo due esperienze di fisica fondamentale relative alla misura di due costanti universali allo scopo di dimostrare come sia semplice usare elettronica e informatica insieme, la costante di Planck e la costante di gravitazione universale. Le esperienze proposte sono basate sul concetto di un elettronica “opensource” a basso costo che ne consente una facile riproduzione in ambito scolastico.
Non si richiedono competenze particolari è sufficiente una conoscenza basilare di Fisica e Matematica.

MISURA DELLA VITA MEDIA DEL MESONE D0 USANDO I DATI DELL'ESPERIMENTO LHCB
M. Rotondo, M. Santimaria, B. Sciascia

La teoria delle interazioni forti ed elettrodeboli, il cosiddetto modello standard, è stato confermato da decenni di esperimenti agli acceleratori che ne hanno ribadito la validità e ha ottenuto successi strepitosi, come la scoperta del bosone di Higgs. Eppure da anni i fisici sono alla ricerca di “nuova fisica” oltre il modello standard. Questa necessità di 'andare oltre' nasce dall’impossibilità del modello stesso nello spiegare fatti sperimentali quali la natura della materia oscura o la predominanza della materia sull’antimateria (detta bariogenesi). Infatti, nonostante il modello standard includa piccole differenze tra materia e antimateria, esse sono troppo piccole per spiegare la formazione dell’Universo come lo conosciamo. La differenza tra materia e antimateria è stata osservata prima nel sistema dei mesoni K (1964) e poi in quello dei mesoni B (2001), mentre nonostante molti tentativi non è ancora stata osservata nei mesoni D. Lo studio accurato delle proprietà di questi ultimi, prodotti in grandi quantità dalle collisioni protone-protone a LHC e raccolti dall’esperimento LHCb, è una delle strade aperte per cercare indicazioni sulle caratteristiche della nuova fisica, in particolare per spiegare la bariogenesi. Il campione di dati usato per questa esercitazione è stato raccolto nel 2011 dall’esperimento LHCb ed è stato selezionato in modo da contenere un alto numero di candidati mesoni e antimesoni D0. Dopo una breve introduzione al rivelatore LHCb e alla fisica dei mesoni D0, l’esercitazione permetterà di ripercorrere tutti i passi, dalla selezione degli eventi alla stima della sistematiche, necessari a misurare la vita media del mesone D0.
I dati e le relative istruzioni sono liberamente disponibili sul sito delle International MasterClasses (http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/en/LHCb-outreach/masterclasses/en/) e la misura è adatta per essere ripetuta con gli studenti degli ultimi anni.

TECNOLOGIE DI CHANNELING AVANZATE: DAGLI ONDULATORI DI CRISTALLO ALLE GUIDE D'ONDA CAPILLARI
C. Azzutti, S. B. Dabagov, D. Hampai

Questo seminario descriverà ai partecipanti lo stato degli studi presenti e gli eventuali possibili sviluppi futuri nelle tecnologie di channeling applicate alla fisica dei raggi X (per la maggior parte ottiche policapillari a raggi X applicate alle tecniche CT, XRF, TXRF). Una volta introdotto l'argomento, i partecipanti saranno invitati a seguire varie attività sperimentali e tecnologiche a XLab Frascati dei Laboratori Nazionali di Frascati. Il Channeling è un fenomeno ben noto correlato al moto di particelle cariche in cristalli allineati. Recenti studi hanno dimostrato la fattibilità di applicare i fenomeni di channeling per la descrizione di altri diversi meccanismi di interazione tra particelle cariche e neutre in solidi, plasmi e campi elettromagnetici dagli studi basati su ondulatori di cristalli, collimatori e acceleratori fino ad elementi ottici per raggi X e neutroni basati su sistemi di capillari.

SISTEMI FOTOVOLTAICI
P. Bernardoni

I partecipanti saranno coinvolti in un progetto sui concentratori solari a luminescenza (LSC), ovvero pannelli fotovoltaici traslucidi, che permettono di catturare una porzione della radiazione solare e creare effetti luminosi dall’elevato valore architettonico. Questi concentratori sono stati sperimentati nella competizione internazionale Solar Decathlon Europe 2014 e costituiscono una interessante soluzione per la realizzazione di facciate e smart-windows.

FISICA E MEDICINA – METODI NON INVASIVI PER LO STUDIO DEL SISTEMA CIRCOLATORIO
G. Gadda

La Fisica Medica fa uso dei concetti e delle metodiche proprie della ricerca scientifica per portare benefici nel campo della medicina, sia in termini di sviluppo tecnologico che di miglioramento della salute delle persone. In questa attività verranno dapprima illustrati i princìpi fisici alla base della diagnostica per immagini in generale, e delle apparecchiature ultrasonografiche in particolare. Verrà poi mostrato l'utilizzo di tali apparecchiature in un filone di ricerca innovativo riguardante lo studio del ritorno venoso cerebrale. Si mostrerà l'importanza di costruire modelli (sia fisici che matematici) più o meno semplificati di sistemi complessi come l'apparato circolatorio umano. Questi modelli hanno molteplici scopi: comprendere i meccanismi di base del funzionamento di un sistema biologico in modo non invasivo, eseguire test di calibrazione sugli strumenti e training sul personale ospedaliero, simulare situazioni fisiologiche e casi patologici per migliorare l'efficacia delle diagnosi. Infine verrà mostrato uno strumento di recente progettazione che, rivisitando una tecnica non invasiva tradizionale chiamata pletismografia, ha permesso di studiare il ritorno venoso cerebrale anche in condizioni di microgravità (esperimento Drain Brain).