Introdurre la fisica delle particelle con le arti visuali

Ho scovato su Physics Education un articolo interessante su un progetto che, utilizzando l'arte, introduce agli studenti il meraviglioso mondo delle particelle elementari. Vi propongo una traduzione dell'introduzione e della parte introduttiva al workshop che gli studenti hanno portato avanti nel corso dell'attività.

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La scoperta dell'elettrone da parte di Thomson nel 1897 inaugurò un'era di scoperte e di una sempre più profonda comprensione dei meccanismi interni del microcosmo. Questa culminò, 115 anni più tardi, con la scoperta del bosone di Higgs che ha completato il Modello Standard delle particelle. Allo stato attuale, come al tempo di Thomson, ci sono diverse domande aperte che richiedono un breakthrough sperimentale per trovare risposta.
Con questo intellettualmente stimolante stato di cose l'abilità delle arti visuali di attirare ed esprimere potrebbe alimentare la curiosità del pubblico più giovane verso la fisica delle particelle, indipendentemente dagli studi che potrebbero intraprendere in futuro. Ciò è stato confermato durante una collaborazione artistica culminata nella mostra The sketchbook and the collider, dove è apparso evidente che, nonostante le ovvie differenze, entrambe le specializzazioni si occupano di rendere visibile l'invisibile. Gli sviluppi scientifici hanno visto il 'quotidiano' dissolversi nelle interazioni subatomiche accessibili solo esaminando le tracce lasciate in un mezzo opportuno. Un processo specchiato dall'espressione artistica di pensieri, emozioni e intuizioni attraverso la realizzazione di marchi e la manipolazione di materiali.

Introdurre la fisica delle particelle

All'inizio del workshop, il palcoscenico è impostato per introdurre i concetti basilari della fisica delle particelle: il Modello Standard delle particelle e delle interazioni. Seguendo gli esercizi iniziali, gli studenti si sono esposti alle principali questioni aperte, mirando a stimolare la loro immaginazione e sottolineare la scienza come uno sforzo in divenire oltre un elenco di fatti. Durante questa discussione sono stati utilizzati [i pelouche di Particle Zoo] per fornire un riferimento visivo.
Un video di una camera a nebbia con minerale d'uranio al centro fornisce l'opportunità per spiegare i principi base operanti dei rilevatori, insieme con alcuni fatti storici e con una connessione alla formazione delle nubi in atmosfera. Si introduce così l'idea che impariamo cose sulla natura attraverso gli esperimenti e dalla 'visualizzazione' delle particelle che sono altrimenti invisibili.

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Successivamente si fornisce un modello dell'atomo, costituito da peluche subatomici. Gli studenti [tra i 14 e i 16 anni] hanno una certa familiarità con l'idea che la materia è costituita da atomi, con un nucleo denso costituito da protoni e neutroni e con degli elettroni intorno a essi. Si è osservato che ben pochi studenti sono a conoscenza del termine 'quark'. Gli studenti sono invitati ad 'aprire' il protone e il neutrone per scoprire che essi sono costituiti da quark up e down, insieme ai gluoni che li tengono insieme. La forza elettromagnetica e il suo messaggero, il fotone, è spiegata in termini di cosa trattiene l'elettrone ad orbitare intorno al nucleo. Le interazioni deboli sono introdotte utilizzando video e discutendo cosa causa il decadimento dell'uranio. Si coglie anche l'opportunità di discutere dei neutrini, che sono intimamente connessi con l'interazione debole.
Avendo introdotto molte delle particelle della prima generazione insieme con le particelle messaggere delle forze, la discussione si espande alle tre famiglie della materia, essenzialmente una replica più pesante della prima generazione. Gli studenti si confrontano con domande aperte come: 'Perché tre famiglie? Ce ne sono di più?' Alla fine si introduce il bosone di Higgs e il suo ruolo speciale nel Modello Standard.
Seguendo gli esercizi di disegno, gli studenti si confrontano con l'idea che il Modello Standard delle particelle tiene conto di meno del 5% della materia-energia contenuta nell'universo. Sono presentate alcune delle evidenze dell'esistenza di materia ed energia oscure. Si sottolinea che l'intensa attività di ricerca tenta di rispondere a queste domande, e che i più giovani, come loro, forniranno in futuro un contributo. Di solito ci sono diverse domande durante questa parte del workshop. Spesso gli studenti trovano affascinante e intrigante che qualcuno possa conoscere l'esistenza di qualcosa nonostante non se ne conosca la sua natura.

Andrews, I., & Nikolopoulos, K. (2018). Introducing particle physics concepts through visual art. Physics Education, 53(5), 054001. doi:10.1088/1361-6552/aad276 (arXiv)