Introduzione

HEPscape! è una escape room sulla fisica delle alte energie. È stata ideata da quattro ricercatrici dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Roma (INFN), e costruita con il prezioso sostegno dell’INFN e con la collaborazione di  Sapienza, Università di Roma. Alcune delle inventrici del progetto sono membre della collaborazione Compact Muon Solenoid (CMS), che opera ai laboratori sperimentali del CERN a Ginevra. Il progetto  HEPscape! è nato col desiderio di avvicinare al campo della fisica delle particelle il grande pubblico, composto da bambini, giovani studenti e adulti. Per questo  HEPscape! ha viaggiato  l’Italia per raggiungere quante più persone possibili, ben oltre i pochi fortunati che hanno potuto visitare di persona i laboratori del CERN. Negli ultimi anni, poi a causa della pandemia COVID-19 , le visite al CERN e a CMS sono state sospese. HEPscape! ha quindi offerto dal 2021 un’opportunità unica al pubblico per godere di una sorta di visita virtuale delle aree sperimentali dell’LHC.

La fisica ad LHC

Ad LHC, protoni e ioni pesanti si scontrano con energie senza precedenti. Le collisioni avvengono al centro dell’esperimento CMS per creare condizioni localizzate simili a quelle che esistevano una frazione di un miliardesimo di un secondo dopo il Big Bang. Nelle collisioni di LHC si possono produrre nuove particelle come il Bosone Higgs, le particelle supersimmetriche ed eventualmente nuovi fenomeni come nuovi stati di materia molto calda e densa. II fisici e le fisiche di CMS studiano queste collisioni per verificare le teorie fisiche, o scoprirne di nuove, come per esempio la composizione della materia oscura nell’universo o l’eventuale presenza di  più dimensioni dello spazio. Gli esperimenti come CMS sono essenziali per comprendere la natura dell’universo. 

Nel 2012 CMS ha condotto, insieme ad ATLAS, la scoperta dell’ultima particella sfuggente del modello standard, il Bosone di Higgs,  predetta già nel 1964 e rilevata dopo circa 60 anni. Il rivelatore CMS, che è composto da 100 milioni di rilevatori individuali, è uno degli strumenti scientifici più complessi e precisi mai costruiti. Situato a 100 m sotto il livello del suolo, presso il villaggio francese di Cessy, proprio di fronte al confine Svizzero, opera ormai dal 2010 e coinvolge scienziati, ingegneri e studenti provenienti da molte discipline diversi. I pezzi di CMS sono stati progettati e costruiti in istituti localizzati in tutto il mondo, prima di essere portati al CERN per l’assemblamento finale.

Il ruolo delle escape rooms nell’educazione scientifica

Una escape room è un gioco dove una squadra di giocatori deve scoprire  indizi, risolvere puzzle e quesiti per raggiungere un obiettivo specifico in un determinato periodo di tempo limitato, ossia uscire da una stanza. Le escape rooms possono essere adoperate , mediante un approccio atipico e divertente, per insegnare ai visitatori argomenti scientifici di base o anche conoscenze specifiche. Dato che la struttura alla base di una escape room obbliga i visitatori a trovare la risposta corretta a ciascun indizio prima di passare al successivo, si ottiene un immediato feedback sull’argomento del gioco, grazie ad un trasferimento di conoscenze dinamico ai visitatori. In genere, un facilitatore  accompagna i visitatori durante l’esperienza, aiutandoli quando necessario e stimolando la discussione alla fine. Tra i principali punti di forza dell’uso di escape rooms nell’educazione scientifica si possono trovare la possibilità di diversificare l’attività in base all’età dei visitatori e un migliore coinvolgimento rispetto all’insegnamento frontale. L’idea di porre una sfida che obbliga i visitatori a pensare, incoraggia il lavoro di squadra e l’elaborazione di processi paralleli. Le escape rooms sono spesso considerate il modo migliore per attuare il famoso pensiero di Roekel sulle 4 C nell’istruzione: sviluppo di pensiero critico, cooperazione, creatività e comunicazione.

Metodologia

L’esperienza di HEPscape! inizia fuori dalla stanza. I visitatori sono accolti nell’area sperimentale dal facilitatore che funge da guida di CMS o ATLAS, così come avviene durante una vera visita al sito sperimentale al CERN. Infatti i visitatori, dato che stanno entrando in un’area sperimentale, devono anche  indossare il casco di sicurezza! Si entra nella sala dell’HEPscape! passando attraverso il tunnel di LHC,  stampato in alta risoluzione sulla tenda di ingresso,  come mostrato in Figura 1:

All’interno i visitatori saranno guidati attraverso un viaggio virtuale ad LHC e dovranno affrontare e risolvere degli enigmi prima di uscire dalla stanza. Il viaggio virtuale è un’esperienza a 360 gradi con proiezioni, suoni, luci e tante sorprese inaspettate. Qualsiasi elemento della stanza potrebbe essere utile per la soluzione degli indizi. L’intera esperienza dura circa 40 minuti. Ogni gruppo può essere composto da un massimo di 25 persone. Ci sono tre versioni dell’esperienza adattate all’età dei partecipanti: una per bambini al di sotto di 6, un’altra tra 6 e  12, e infine per tutti gli altri. Un’immagine dei visitatori all’interno di HEPscape! dall’esperienza a Genova, il 2021 ottobre, è mostrata in Figura 2:

Descrizione scientifica

La prima cosa che i visitatori faranno all’interno di HEPscape!, esattamente come nelle visite reali a CMS o ATLAS, consiste nel prendere l’ascensore per raggiungere l’area sperimentale sotterranea. Questa esperienza è simulata con tre proiettori che mostrano video reali effettuati da un drone che si abbassa all’interno di uno dei pozzi di LHC. Mentre l’ascensore scende la guida spiega che LHC è l’unico posto nel mondo in cui, se ci fosse un’emergenza, si deve necessariamente prendere l’ascensore anziché le scale. Prima di tutto perché la distanza è troppa da percorrere in breve tempo. In secondo luogo perché gli ascensori non sono ascensori normali ma sono costruiti in modo tale da lavorare anche in caso di emergenza reale come un incendio. Il primo indizio consiste nel indovinare quanti metri l’ascensore è sceso come mostrato in Figura 3. La risposta corretta apre il primo lucchetto. I visitatori indossano i loro badge personali e continuano la visita. Durante il gioco ogni risposta corretta apre un lucchetto e sblocca le istruzioni per l’enigma successivo.

Il secondo e il terzo indizio di HEPscape! pongono domande su come funzioni l’acceleratore LHC (Figura 4).

E come il modello standard della fisica delle particelle descrive la natura della materia (Figura 5).

Durante i giochi due dei tre proiettori di HEPscape mostrano i video reali della sala di controllo CMS, presi al CERN con una fotocamera a 360 gradi con alcuni membri del team di HEPscape! che agiscono come un vero equipaggio in turno. La quarta e ultima parte di HEPscape! trasforma i visitatori esperti in veri e propri fisici delle particelle lasciando loro scoprire il Bosone Higgs. Questo viene fatto analizzando le immagini delle collisioni reali prese a CMS cercando di individuare l’evento in cui è stato prodotto molto probabilmente un Bosone Higgs (Figura 6).

Descrizione tecnica

HEPscape! è costruita come un ambiente chiuso che i visitatori dall’esterno non dovrebbero vedere per non rovinarsi la sorpresa. Una tenda all’ingresso della stanza, che mostra un’immagine del tunnel di LHC, viene utilizzata per coprire la vista della stanza dall’esterno. Tre proiettori di ultima generazione sono usati e controllati da un computer tramite un videowall. Su ogni proiettore mostriamo immagini, video, giochi. Si utilizzano luci a LED per guidare e aiutare i visitatori nella risoluzione degli indizi. Le luci possono cambiare colore e sono controllate da remoto tramite Bluetooth da un tablet. L’intero materiale HEPscape! può essere trasportato in quattro bagagli di grandi dimensioni. È stato concepito come un kit portatile che può essere montato in circa due ore da tre persone.

Risultati

L’esperienza di HEPscape! è stata presentata per la prima volta nel 2021 in due fiere scientifiche in Italia: a settembre a Roma la notte europea della ricerca a Roma (settembre) e il festival della scienza di Genova (ottobre). Nel primo caso è stato usato un gazebo montato in un giardino pubblico, mentre nel secondo la stanza di LHC era direttamente all’interno di un museo. In entrambi gli eventi l’aiuto di studenti universitari e di dottorato è stato fondamentale per il successo dell’evento.

Socials e gradimento

Per rendere HEPscape! visibile e virale abbiamo aperto un account instagram che viene mantenuto dai nostri studenti di dottorato. Pubblichiamo principalmente immagini e video di HEPscape!. Intervistiamo poi i visitatori e chiediamo loro la loro opinione sull’esperienza. I partecipanti possono anche  farsi un selfie una volta con una cornice fotografica Instagram una volta completata la visita virtuale. Ci sono distintivi personali per ogni visitatore con cordini personalizzati e  gadget con un codice QR che punta al sito web di HEPscape!. Per conservare il feedback sulla valutazione dell’esperienza, abbiamo creato un’app di rating con poche domande a cui i visitatori possono rispondere quando escono dalla stanza. Il sistema è molto semplice e può essere facilmente utilizzato da bambini e persone che non hanno familiarità con la tecnologia. La Figura 7 mostra gli strumenti di social e di valutazione di HEPscape!.

Analisi statistica dei visitatori

Dal momento che HEPscape ha una stretta  connessione con LHC, ci piace utilizzare lo stesso  concetto di “run“ dell’esperimento. Ogni periodo di presa dati ad LHC è chiamato run. Al momento LHC ha iniziato il suo run 3 a partire dal 2022. HEPscape! ha finora completato 10 run. Considerando tutti i run insieme, HEPscape! ha visto un totale di oltre 5000 visitatori, con un numero medio di circa 100 visitatori al giorno come mostrato in Figura 8.

La valutazione complessiva è ottima e dimostra il grande successo che l’esperienza di HEPscape! ha ottenuto fin dalle sue prime esecuzioni, come mostrato in Figura 9 dove viene riportata soddisfazione per diverse gamme di età.

Conclusioni

Nonostante la difficile situazione pandemica che l’Italia ha affrontato nel 2021, il Gruppo INFN di Roma ha organizzato un’innovativa attività di divulgazione sotto forma di una escape room didattica a tema scientifico, HEPscape!. Questa è, a conoscenza delle inventrici, la prima esperienza virtuale sulla fisica delle particelle sotto forma di una escape room. HEPscape! ad oggi è presente anche presso i gruppi INFN di Perugia e Padova. I tre kit ad oggi sono riusciti a coprire ampiamente il territorio nazionale e si programma di esportare il progetto all’estero nei prossimi mesi.

Ringraziamenti    

Le responsabili di HEPscape! vorrebbero ringraziare l’INFN nelle persone di A. Nisati e G. Chiarelli. Ringraziamo anche gli uffici di comunicazione e amministrazione di INFN per il prezioso aiuto nella realizzazione del progetto. Un ringraziamento speciale va a Paolo Pani e all’Università Sapienza per il continuo supporto dell’attività.

Si ringraziano, inoltre, l’ufficio Comunicazione della Sezione INFN di Padova, il gruppo multimedia del Dipartimento di Fisica ed Astronomia dell’Università degli Studi Padova, Chiara Sirignano, gli studenti, i dottorandi, i tecnologi e ricercatori di Padova e Milano Bicocca. Un grazie speciale a Cecilia Collà Ruvolo per l’aiuto e condivisione, ma soprattutto per aver creduto nel progetto e nel gruppo di lavoro.

Vogliamo concludere questo documento ringraziando tutti gli studenti e le studentesse che hanno aiutato nella realizzazione di HEPscape!, sperando che il loro sostegno continuerà anche nei prossimi anni di attività. Studenti/esse e PhD rappresentano un bene prezioso del progetto e contribuiscono ad esso con grande entusiasmo e energie infinite.