COSTRUZIONE E USO DIDATTICO DEL KIT INFN PER LA RIVELAZIONE DI PARTICELLE ARDUSIPM
V. Bocci, F. Iacoangeli
INFN - Roma 1

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

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La materia è fatta di atomi, noi e tutto ciò che ci circonda è costituito di atomi: ciò che sorprende è che questa grande varietà di materia sia nella sua complessità composta da un numero relativamente piccolo di 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 nota come luce di sincrotrone che nel suo spettro di emissione include anche i raggi X. È interessante conoscere l‘evoluzione delle sorgenti di luce di sincrotrone, le loro caratteristiche e le nuove prospettive di ricerca che aprono in diversi ambiti che vanno dalla medicina, alla biologia, ai beni culturali, alla chimica e alla scienza dei materiali in generale.

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BRUNO, PIERRE E IL MISTERO DELLA CARICA PERDUTA: PERCORSO STORICO E SPERIMENTALE ALLA SCOPERTA DEI RAGGI COSMICI.
M. Beretta, G. Felici, A. Paoloni

Nel 1785 Coulomb osserva che corpi carichi isolati perdono la carica spontaneamente. Come mai? Ci vorrà più 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.

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ATTIVITA' SPERIMENTALE: DETERMINAZIONE DI NUCLIDI ATTRAVERSO SPETTROMETRIA GAMMA
R. Bedogni, M. A. Caballero Pacheco, A. Calamida, A.I. Castro Campoy, L. Russo

Rivelatori di raggi gamma a scintillazione, amplificatori e filtri analogici, digitalizzatori. I partecipanti osserveranno i segnali del rivelatore a scintillazione all’oscilloscopio digitale, effettueranno conteggi al computer ed elaboreranno i dati. I campioni analizzati saranno pezzetti di materie naturali contenenti tracce di emettitori gamma.

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TECNICHE DI DIAGNOSTICA PER LA CARATTERIZZAZIONE DEI MATERIALI COSTITUENTI I BENI CULTURALI: DALLE SORGENTI CONVENZIONALI ALLA LUCE DI SINCROTRONE
M. Cestelli Guidi, L. Pronti, M. Romani, G. Viviani

Dopo aver presentato una panoramica delle tecniche analitiche per la caratterizzazione dei materiali costituenti i beni culturali, che usano sorgenti convenzionali nel range spettrale dai Raggi X all’Infrarosso, verrà affrontato l’utilizzo della luce di sincrotrone per esperimenti di spettroscopia infrarossa su sezioni stratigrafiche di opere pittoriche.
Infine verrà realizzato un esperimento nel laboratorio DAFNE-Luce sulla beamline SINBAD (Syncrotron Radiation based Fourier Transform Infrared Spectroscopy) che prevede l’applicazione della spettroscopia infrarossa su microframmenti provenienti da opere d’arte.

Lab. Dafne Luce
Ed. 12

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ALFA, BETA, GAMMA: ALLA SCOPERTA DELLA RADIOATTIVITA'
D. Domenici

All'inizio del '900, i misteriosi "raggi" emessi dai nuclei radioattivi vennero battezzati alfa, beta o gamma a seconda del loro comportamento in un campo magnetico. Oggi sappiamo che si tratta di particelle ben note, di cui conosciamo massa e carica elettrica. La spettroscopia è la misura della loro energia, che permette di identificare univocamente i decadimenti nucleari da cui provengono. E' una tecnica di indagine della materia molto potente, che si applica tanto all'astrofisica quanto ai beni culturali, consentendo di capire il contenuto di una stella o di una tela di Leonardo.
Per le misure verrà usato un rivelatore di particelle economico come lo scintillatore, accoppiato a un sensore di ultima generazione, il fotomoltiplicatore al silicio.

Aula A1
Ed. 36

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SUPERCONDUTTIVITA' E L'EFFETTO MEISSNER NEI SUPERCONDUTTORI CERAMICI GRANULARI AD ALTA TEMPERATURA
M. Beatrici, D. Di Gioacchino

Materiale (consultare prima della partecipazione)

Lo scopo dell'incontro è conoscere il fenomeno superconduttivo. Sperimentalmente sarà caratterizzato l'effetto "Meissner" di un materiale superconduttore ceramico. Sarà mostrata la levitazione di un trenino con superconduttori ceramici su una ferrovia magnetica e di un piccolo magnete su un superconduttore. inoltre sarà presentata la misura di suscettività magnetica di un superconduttore in funzione della temperatura. Verrà effettuata una lezione introduttiva del fenomeno e la presentazione delle esperienze che seguiranno in laboratorio.

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SORGENTI DI PLASMA PER L’ACCELERATORE DI PARTICELLE
A. Biagioni, G. Costa, L. Crincoli, M. Del Giorno

Il termine ‘compattezza’ è ormai ricorrente anche nel campo degli acceleratori di particelle. Sicuramente tale termine può sembrare in netta contraddizione con l’acceleratore LHC del CERN, dove ben 27 km di lunghezza sono capaci di spingere fasci di particelle a energie prossime a quelle delle reazioni stellari. Accanto ad acceleratori di questo tipo, negli ultimi anni, è nata l’esigenza di avere a disposizione strutture ‘poco ingombranti’ e capaci di fornire fasci di particelle ugualmente energetici, necessarie per applicazioni sia industriali sia mediche, le quali impiegano la maggioranza delle diverse decine di migliaia di acceleratori attualmente in funzione nel mondo. Questo risultato non è ottenibile con le tecniche di accelerazione convenzionali basate su impulsi a radiofrequenza e, di conseguenza, sono in fase di sperimentazione diverse nuove metodologie, fra le quali la più promettente è quella basata sulle ‘scie di plasma’ (Plasma Wakefield Acceleration). In questa tecnica, il pacchetto di particelle accresce la sua energia seguendo la scia delle onde di plasma, proprio come farebbe un surfista che scivola lungo la cresta delle grandi onde marine, riuscendo a essere anche più veloce di queste ultime. Le tecniche per far raggiungere la condizione di plasma, il nostro ‘mare’, a un gas neutro  (idrogeno) e la capacità di confinarlo in sottili strutture di pochi millimetri rappresentano una delle più grandi sfide per arrivare a costruire i cosiddetti ‘plasma-based accelerators’, i quali promettono di essere anche 100 volte più compatti di quelli attuali. La formazione e il confinamento del plasma per l’accelerazione di particelle sarà argomento del gruppo di lavoro.

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MECCANICA QUANTISTICA
S. Bertelli, G. Mezzadri (INFN-Ferrara)

Il percorso proposto è dedicato all‘introduzione dei temi che hanno portato allo sviluppo della meccanica quantistica e verrà strutturato in una parte teorica e in una parte sperimentale. Nella sessione sperimentale verrà realizzata la misura della costante di Planck a partire dalla misura della tensione di conduzione di due LED che emettono su lunghezze d‘onda diverse e verranno condotti esperimenti relativi all'effetto fotoelettrico.

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Materiale

NANOTECNOLOGIE PER IL MONITORAGGIO AMBIENTALE
P. Tosato, M. Valt
Fondazione Bruno Kessler

E' richiesto il proprio computer

La qualità dell’aria che respiriamo costituisce una tematica sempre più centrale nella società contemporanea; il suo monitoraggio puntuale e distribuito diventa sempre più accessibile grazie a sensori a basso costo basati sulle nanotecnologie.

La lezione verrà strutturata in un’introduzione alle nanotecnologie e ai metodi di caratterizzazione chimico-fisiche utilizzate nella realizzazione di sensori a stato solido basati su semiconduttori nanostrutturati e in attività hands-on di integrazione hardware e software. Alcuni di questi dispositivi sono prodotti presso la Fondazione Bruno Kessler e altri sono disponibili commercialmente a basso costo, l’integrazione avverrà su piattaforme consolidate e di facile reperibilità come Raspberry Pi e STM32-Nucleo.

Aula Seminari
Ed. 36

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DALLE LEGGI DI KEPLERO AI BUCHI NERI: SPERIMENTARE LA GRAVITA' IN CHIAVE MODERNA IN CLASSE
A. Postiglione
I. De Angelis, Dipartimento di Matematica e Fisica dell’Università Roma Tre e INFN Sezione di Roma Tre

In questa attività vedremo come si possono sperimentare anche in classe alcuni fenomeni riguardanti la gravità: come si muovono la Luna, i pianeti e le stelle, come fa una navicella a viaggiare nello spazio, come le masse riescono a deformare lo spazio-tempo, cosa sono i buchi neri e le onde gravitazionali, cosa dice la Relatività Generale di Einstein. Dopo una prima parte dimostrativa, i partecipanti costruiranno e useranno uno spazio-tempo fai-da-te costituito da un kit low-cost e che può essere usato facilmente in classe, con il quale impareranno a sperimentare in prima persona diversi fenomeni. Ai partecipanti sarà anche fornito un manuale che raccoglie i trucchi e le linee guide ricevute dalle tutor durante l’attività.

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RIVELAZIONE DI RAGGI X PER APPLICAZIONI FONDAMENTALI: Dalla calibrazione del detector, alla presa dati, all'analisi con tecniche di Machine Learning
S. Manti, F. Napolitano, A. Scordo

L'esperienza, come da titolo, prevede l'utilizzo di rivelatori di raggi X per applicazioni fondamentali quali l'identificazione dei metalli in vari oggetti (monete, reperti, ecc.) o liquidi (vini, medicine, ecc), con la possibilità di identificarne in alcuni casi anche un'eventuale ossidazione. L'esperienza prevederà la presa dati sul setup sperimentale, una calibrazione dei rivelatori con tecniche di Machine Learning e, successivamente, un'analisi dati volta all'identificazione dei metalli.
I partecipanti impareranno i principi di funzionamento di vari rivelatori, alcune tecniche di base di analisi dati e avranno l'opportunità di mettere mano personalmente in tutte le fasi

Laboratorio VIP/VOXES
Ed. 24

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INTRODUZIONE ALLE TECNICHE DI SIMULAZIONE PER APPLICAZIONI DI FISICA MEDICA
A. Filippi INFN - Torino

La simulazione dell’interazione della radiazione e delle particelle con i materiali è fondamentale per la progettazione di esperimenti di fisica nucleare e delle particelle e la previsione delle loro prestazioni, tuttavia può anche essere sfruttata con successo per applicazioni più vicine alla vita di tutti i giorni, per esempio quelle basate sull’interazione delle particelle in ambito medico, a scopo diagnostico o terapeutico. Infatti, in medicina è importante ricorrere a simulazioni per stimare la quantità di energia rilasciata nei tessuti biologici in seguito al trattamento con un fascio di particelle o di radiazione, per valutarne preventivamente gli effeti ed il possibile danneggiamento dei tessuti malati (i quali vanno distrutti, o sani, che invece vanno preservati). Ciò è inoltre utile per sviluppare piani radioterapeutici di trattamento con fasci o mediante radiofarmaci, protocolli radiodiagnostici o finalizzati alla radioprotezione. Al di fuori dell’ambito strettamente medico, sono anche molto diffuse le applicazioni in ambito aerospaziale per la progettazione di schermature in ambienti extra-terrestri, che ovviamente non sono facilmente raggiungibili ed hanno condizioni diffcilmente riproducibili in laboratorio. Gli strumenti informatici per effettuare tali simulazioni in ambito medicale e aerospaziale sono molto complessi e di diffcile utilizzo. Tuttavia, esistono alcune interfacce che permettono di utilizzare in modo relativamente semplice i pacchetti di simulazione in uso nell’ambito della fisica delle particelle, per estrarre in modo diretto informazioni sul rilascio di energia di un fascio di particelle di forma, energia ed intensità scelta dall’utente, interagente su un bersaglio anch’esso costruito dall’utente mediante semplice procedure. Tale bersaglio può essere un semplice solido geometrico o un modello CAD (già disponibile) di un organo di un organismo vivente. In questo seminario vedremo come utilizzare questo tipo di software per visualizzare l’interazione delle particelle con i materiali, ed estrarre informazioni a livello elementare sul tipo di reazioni che intervengono e a cui le particelle interagenti sono sottoposte; in particolare, sarà interessante verificare l’interazione dei raggi X e dei fasci radioattvi con tessuti biologici, che è alla base di molte applicazioni medicali.

Aula Master
Ed. 4

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LA REALTA' VIRTUALE NELLA FISICA DELLE PARTICELLE
A. Budano, Dipartimento di Matematica e Fisica dell’Università Roma Tre e INFN Sezione di Roma Tre
D. Di Giovenale

In questa attività entreremo all’interno di uno dei più importanti rivelatori di particelle attualmente in attività grazie alla realtà virtuale. Un modo per indagare e capire il nostro Universo, infatti, è quello di “scomporlo” in mattoni fondamentali. Possiamo farlo studiando le particelle, prodotte nei grandi acceleratori, che oggi riveliamo grazie a immense “macchine fotografiche”. Una di queste è proprio Belle II, il rivelatore di particelle costruito intorno al punto in cui si verificano le collisioni tra elettroni e positroni nell’acceleratore SuperKEKB in Giappone. Grazie al software basato su tecnologie di Realtà Virtuale dell’esperimento Belle II è possibile immaginarsi al suo interno e seguire le particelle prodotte, osservandone anche alcune caratteristiche. A conclusione dell’esperienza verranno fornite ai partecipanti alcune indicazioni e materiali per poter riportare in classe quanto appreso durante questa attività. Uno dei fenomeni prodotti nell’interazione delle particelle con la materia è l’emissione di Radiazione Cherenkov (RC). Questa radiazione oltre ad essere utilizzata nei rivelatori per la rivelazione e caratterizzazione delle particelle, trova anche un'applicazione pratica in alcuni sistemi di diagnostica per acceleratori di particelle. Nella seconda parte dell’esperienza verrà presentato e riprodotto un sistema di BLPM (Beam Loss Position Monitor) che fa uso della RC per di individuare gli eventuali punti lungo un acceleratore di particelle in cui il fascio urtando le pareti della camera da vuoto si perde tutto o in parte, consentendo in tal modo di intervenire per minimizzarne le perdite.

Aula B. Touschek
Ed. 36

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