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Proposta di nuovo esperimento
Sigla: SAMADHA (South Atlantic Magnetic Anomaly Dosimetry at High Altitude)
Durata proposta: 2 anni
Area di ricerca: Dosimetria ambientale
Responsabile nazionale: Silvia Vernetto
Unità partecipanti: Torino, Frascati, Trieste, Napoli, Firenze
ABSTRACT
In seguito ai risultati ottenuti dal progetto INFN HALCORD (High Atitude and Latitude Cosmic
Ray Dosimetry, 2017-2020), si ritiene di notevole interesse estendere lo studio della dose dovuta
ai raggi cosmici secondari nella zona sottostante la South Atlantic Anomaly (SAA). È noto che
l’area della SAA – regione in cui il campo geomagnetico ha i valori più bassi di tutto il pianeta
(Fig. 1) – si sta ampliando progressivamente [1] [2] (Fig. 2). Al contempo il campo
geomagnetico globale sta decrescendo sensibilmente, in particolare nella regione antartica e alle
alte latitudini [3] [4] [5] (Fig. 3). Questi fatti, uniti alla diminuzione dell’attività solare degli
ultimi decenni [6] (Fig. 4), comporta un incremento del flusso dei raggi cosmici che raggiungono
la Terra [7]. Gli effetti di questi cambiamenti sia solari che geomagnetici potrebbero essere più
evidenti in siti di alta quota nella zona della SAA, rendendo interessante un monitoraggio locale
della dose, in particolare di quella neutronica, e delle sue variazioni su diverse scale di tempi,
studiando le correlazioni tra la radiazione al suolo e fenomeni space weather1. La componente
neutronica è infatti quella che, per gli elevati radiation weighting factors, è responsabile per la
maggior parte del rischio radiologico alle quote di interesse per l’essere umano (Fig. 5).
La SAA è la regione in cui le fasce di Van Allen si avvicinano maggiormente alla superficie
terrestre. L’attività solare, perturbando il campo geomagnetico, influenza l’estensione e i flussi di
particelle nelle fasce di Van Allen, favorendo rilasci di particelle dalle regioni di
intrappolamento. È dunque di interesse verificare se i protoni più energetici eventualmente
rilasciati dalla fascia interna possano produrre dei secondari in atmosfera rivelabili al suolo in
alta quota, che si aggiungono al flusso standard dei raggi cosmici. Variazioni di dose ambientale
nella zona della SAA potrebbero essere osservabili in associazione a tempeste solari.
Allo stato attuale, un monitoraggio dosimetrico nella zona della SAA è del tutto assente.
Pensiamo quindi sia interessante sviluppare un progetto che utilizzi diversi siti di misura
all’interno di questa regione. A tal fine si propone di realizzare misure dosimetriche presso i
laboratori di alta quota di Chacaltaya in Bolivia (5240 m a.s.l.) e del Monte Famatina in
Argentina (5100 m a.s.l), situati all’interno della SAA, per una durata di due anni.
Queste misure, insieme ai dati ottenuti dal progetto INFN HALCORD presso la base antartica
argentina di Marambio e a quelli che verranno rilevati presso la base antartica italo-francese
Concordia – grazie al progetto CORDIAL finanziato dal Programma Nazionale di Ricerche in
Antartide (PNRA) per il periodo 2021-2022 a cui alcuni dei proponenti partecipano –
premetteranno di avere un panorama globale dal punto di vista dosimetrico della zona della SAA
e della adiacente regione antartica.
1
Space weather indica l’insieme degli effetti dell’attività solare (vento solare, flares, etc) sull’ambiente terrestre, che
possono perturbare il funzionamento di sistemi tecnologici sia a terra che nello spazio ed essere dannosi per la salute
degli esseri umani.
1
Zona con minima
intensità del campo
geomagnetico
Fig. 1 - Intensità del campo geomagnetico al livello del mare. La zona di colore blu corrisponde alla zona
della South Atlantic Anomaly (SAA), definita come la regione in cui l’intensità del campo magnetico è
inferiore a 32000 nanoTesla.
Fig. 2 - Aumento dell’area della SAA dal 1840 ad oggi [1]
Fig. 3 - a) Spostamento verso ovest del punto con intensità minima del campo geomagnetico negli ultimi
180 anni; b) decrescita dell’intensità minima del campo magnetico nella regione della SAA [1].
2
Fig. 4 - Numero di sunspot in funzione del tempo, che mostra la diminuzione
dell’attività solare negli ultimi 4 cicli.
Fig. 5 - Valori di H*(10) in funzione della quota sul livello del mare,
per le differenti componenti di raggi cosmici, secondo simulazioni
con raggi cosmici primari (cutoff di rigidità magnetica verticale Rv
= 0.4 GV e parametro di modulazione solare = 465 MV) [51].
3
PROPOSTA SCIENTIFICA
Stato dell’arte
La SAA è un’ampia regione che si estende su parte dell’Oceano Atlantico e del Sud America,
dove, a causa dell’inclinazione del dipolo geomagnetico rispetto all’asse di rotazione terrestre e
dell’offset del centro del dipolo rispetto al centro terrestre, il campo magnetico ha i valori più
bassi di tutto il pianeta (Fig. 6). A causa di questa asimmetria, nella SAA i punti estremi (mirror
points) della fascia di Van Allen interna si avvicinano alla superficie terrestre fino a una distanza
di circa 200 km, generando un “serbatoio” di particelle energetiche (in particolare protoni) sopra
gli strati più alti dell’atmosfera. Lo spettro dei protoni intrappolati si estende fino a qualche GeV
[8], rendendo plausibile una produzione di secondari nelle interazioni con i nuclei dell’atmosfera,
rivelabili al suolo, in caso di “precipitazioni” di protoni dovute a perturbazioni magnetiche
causate dall’attività solare.
La rivelazione di questi secondari è favorita ad alta quota a causa del minor assorbimento
atmosferico (ricordiamo che il flusso di neutroni prodotti dai raggi cosmici aumenta di un fattore
25-30 passando dal livello del mare a 5000 m [9]). Un incremento del flusso dei raggi cosmici
secondari osservato a Chacaltaya e a Niteroi (Brasile) attribuibile a precipitazioni dalle fasce di
Van Allen è riportato in [10], mentre un eccesso nello spettro di neutroni è stato osservato in zona
SAA [11].
Repentine variazioni del flusso di raggi cosmici secondari possono anche derivare da fattori
atmosferici, come l’effetto dei campi elettrici durante i temporali, che possono accelerare le
particelle cariche degli sciami atmosferici, causando effetti “valanga”, come la relativistic
runaway electron avalanche (RREA) [12]. Significative variazioni del flusso di raggi gamma,
elettroni, muoni e neutroni sono state osservate da diversi esperimenti ([13]-[17]) in coincidenza
con variazioni del campo elettrico misurate al suolo, di durata dai minuti ad alcune ore, ma la
comprensione dei fenomeni ha tuttora molti punti oscuri. Una misura a oltre 5000 metri di quota,
vicino alle nubi temporalesche, sarebbe di grande interesse, non esistendo dati ottenuti a quota
così elevata.
Ad oggi i monitoraggi della dose ambientale dovuta ai raggi cosmici secondari sono molto scarsi
nell’emisfero Sud, in particolare nella regione antartica e subantartica e sono del tutto assenti
nella zona della SAA. Le campagne condotte durante il progetto HALCORD (tuttora in corso) e
precedentemente CORA presso la base Antartica Argentina di Marambio, al centro GAW (Global
Atmosphere Watch) di Ushuaia e, in collaborazione con l’Institut Polaire Francais (IPEV), nella
base Antartica italo-francese Concordia, rappresentano la prima serie di misure sistematiche alle
alte latitudini nell’emisfero Sud ([18]-[21]). Attualmente esistono alcuni dati parziali ottenuti alla
base indiana di Bahrati [22] [23], che sono in accordo con i dati di HALCORD.
Ricordiamo che i risultati e le conoscenze sviluppati con HALCORD hanno portato come fall-
out:
1) Finanziamento PNRA (2021-2022) per il progetto CORDIAL (COsmic Ray Dosimetry In
Antarctic Latitudes), che prevede misure dosimetriche nella base Antartica Concordia per
gli anni 2021-2022;
2) In base alla convenzione INFN-Università di Chilecito, disponibiltà del nuovo
laboratorio sul Monte Famatina (Argentina);
3) Possibilità di installare strumenti dosimetrici presso il laboratorio di Chacaltaya, Bolivia
(sede GAW);
4) Collaborazione con IPEV per confrontare le misure di flussi e dosi neutroniche alla base
4
Concordia con i dati del sistema di Bonner spheres operante in loco (CHINSTRAP) [24];
5) Accordo con CONAE (Comision Nacional de Activitades Espaciales) per installare sul
satellite argentino SABIA-MAR un dosimetro Liulin-AR [25][26];
6) Disponibilità da parte del governo di Ushuaia (sede GAW) ad installare una stazione di
space weather.
Obiettivi
In base alle motivazioni scientifiche sopra esposte, e grazie alle collaborazioni instaurate con enti
di ricerca in Argentina e Bolivia, riteniamo fattibile e di notevole interesse eseguire un
monitoraggio dosimetrico presso i laboratori di Chacaltaya dell’Università di La Paz, Bolivia
(5240 m a.s.l.) e del Monte Famatina dell’Università di Chilecito, Argentina (5100 m a.s.l).
Entrambi i laboratori (situati a 1410 km di distanza uno dall’altro lungo la catena delle Ande) si
trovano nella zona della SAA sopra la quale sono stati osservati dall’esperimento Pamela (su un
satellite in orbita polare ellittica) i protoni più energetici [8] (Fig. 7).
Grazie a queste misure, insieme ai dati raccolti in laboratori antartici e subantartici da
HALCORD e CORA e prossimamente da CORDIAL (progetti a cui hanno partecipato o
parteciperanno alcuni proponenti di SAMADHA), si prevede di:
1) contribuire al monitoraggio dosimetrico della regione della SAA e della regione antartica
e sub antartica (attualmente carenti di dati), con particolare attenzione alla dose
neutronica.
2) confrontare le dosi dovute alla radiazione cosmica secondaria in tre zone di grande
interesse ad alta quota: Chacaltaya, Monte Famatina e base antartica Concordia
(quest’ultima, grazie al progetto PNRA già finanziato);
3) studiare l’influenza della SAA sui flussi e le dosi dei raggi cosmici secondari che
raggiungono il suolo;
4) stabilire la dipendenza della dose (neutronica e non) e dello spettro dei neutroni da:
- parametri geofisici (latitudine, longitudine e altezza sul livello del mare);
- fenomeni di attività solare e di space weather (ricordiamo che nei primi mesi del
2020, dopo una lunga fase di minimo, è iniziato il 25⁰ ciclo solare);
- composizione e dinamica dell’atmosfera, inclusi i fenomeni elettrici;
- variazioni del campo geomagnetico.
Ad oggi correlazioni tra dose e space weather sono studiate prevalentemente in ambito
spaziale. Non è ben noto il loro effetto sulla radiazione secondaria a terra, per mancanza
di dati sperimentali, soprattutto nell’emisfero Sud;
5) in collaborazione con il Dipartimento di Medicina Spaziale dell’Università di La Plata,
valutare i possibili effetti biologici di esposizioni prolungate per gli operatori presso i
laboratori ad alta quota e basi scientifiche antartiche. Si ricorda inoltre che una frazione
significativa della popolazione andina vive a quote superiori a 4000 metri.
5
Fig. 6 - Schema delle fasce di Van Allen e Anomalia del Sud Atlantico. L’inclinazione
del dipolo magnetico rispetto all’asse di rotazione terrestre (circa 11⁰) e lo spostamento
di circa 500 km del centro del dipolo rispetto al centro terrestre, causano il massimo
avvicinamento delle fasce di Van Allen alla superficie terrestre nella zona della SAA.
Fig. 7 - Flusso di protoni nella SAA misurato da Pamela a diverse altitudini e in diversi
range di energia. I protoni con energia maggiore (ultima colonna di destra) sono
posizionati sopra il nord dell’Argentina e la Bolivia [8].
6Metodologia della ricerca
Il progetto prevede di eseguire un monitoraggio dosimetrico di durata di circa 15 mesi presso i
laboratori di alta quota di Chacaltaya (5240 m, Bolivia) e del Monte Famatina (5100 m,
Argentina) (vedi Fig. 8).
Nel Laboratorio di Chacaltaya si prevede di installare la maggior parte della strumentazione,
essendo un laboratorio di più facile accesso (a circa un’ora di viaggio da La Paz) e custodito
permanentemente. Sono previste misure sia spettrali di neutroni che misure dosimetriche delle
varie componenti della radiazione ambientale (neutroni, particelle cariche, raggi X e gamma) con
detector attivi e passivi, insieme a misure del campo elettrico e magnetico (vedi Tabella 1).
In particolare, la misura dello spettro di neutroni comporterà un notevole miglioramento rispetto
alle campagne antartiche precedenti, in cui sono stati utilizzati solo rem counters per la misura
della dose neutronica: non solo lo spettro fornisce una valutazione molto più accurata della dose,
ma permette anche di monitorare singolarmente gli andamenti delle diverse componenti del
flusso neutronico (termica, epitermica, evaporazione, cascata) e quindi di avere informazioni
sull’origine di eventuali variazioni di dose. E’ noto infatti che le prime tre componenti
neutroniche (in particolar modo la componente termica) sono maggiormente influenzate dalle
condizioni ambientali (presenza di neve o acqua, tipo di suolo), rispetto alla componente di
“cascata”, che è direttamente prodotta dalle interazioni dai raggi cosmici in atmosfera.
Per la misura verrà utilizzato un innovativo spettrometro per neutroni ad alta sensibilità
(WAFINES - WAter FIlled NEutron Spectrometer), che sarà progettato e costruito dal gruppo di
Frascati. La misura di spettri neutronici alle basse intensità tipiche del campo cosmico a livelli
del suolo impone l’uso di sistemi di misura del tipo sfere di Bonner operanti in parallelo (con un
numero di sensori termici ad elevata sensibilità pari al numero di sfere). Siccome il nostro
progetto presenta alcuni vincoli legati all’ubicazione remota delle stazioni di misura, le elevate
distanze di trasporto e la necessità di minimizzare i costi della logistica, si è pensato di proporre
un nuovo sistema di sfere di Bonner basato su stampi sferici stampati 3D, da riempire d’acqua
una volta a destinazione. Questa semplice ma cruciale differenza, rispetto alle sfere piene in
polietilene, comporta un’importante riduzione in peso (da 35 a 8 kg). Come rivelatori di neutroni
termici si propone di impiegare contatori proporzionali in pressione a 10 bar, in grado di fornire
uno spettro neutronico completo dal campo termico al GeV in circa 30 ore di misura nel sito di
Chacaltaya.
Oltre allo spettrometro WAFINES, verranno installati altri strumenti dosimetrici già in possesso
del gruppo di Torino, tra cui un rem counter per neutroni con range energetico fino a 14 MeV
(non sensibile ai neutroni più energetici, di “cascata”).
Verrà inoltre installato un set di dosimetria passiva composto da: a) Rivelatori a tracce CR-39, b)
uno stack con 209Bi (già in possesso) e mylar (da acquistare), c) dosimetri a termoluminescenza
(da acquistare), d) un rem counter passivo (reso disponibile da altro ente).
In parallelo, verranno effettuate misure:
1) del campo geomagnetico per studiare le correlazioni tra le variazioni di dose e le perturbazioni
del campo magnetico terrestre dovute a fenomeni legati all’attività solare;
2) misure di campo elettrico per monitorare la dose in concomitanza a fenomeni temporaleschi,
quando intensi campi elettrici prodotti tra nubi e suolo e all’interno delle nubi, possono alterare il
7flusso dei secondari in atmosfera.
Entrambe le misure verranno effettuate con strumenti già in possesso del gruppo di Torino o
presi in prestito da altri enti collaboranti.
Ricordiamo che il laboratorio di Chacaltaya è provvisto inoltre di un Neutron Monitor e un
Neutron Telescope, di cui sono utilizzabili i dati per il monitoraggio del flusso di raggi cosmici
primari (ma che non danno informazioni ne’ dosimetriche ne’ spettrali sui neutroni).
Inoltre il laboratorio è un centro della rete Global Atmospheric Watch, permettendo di avere a
disposizione parametri atmosferici rilevati in loco.
In parallelo alle misure a Chacaltaya, nel Laboratorio sul Monte Famatina dell’Università di
Chilecito (5100 m) sarà installato un secondo set di strumentazione (Tabella 2), più ridotto
rispetto a quello di Chacaltaya, ovvero un rem counter per la misura della dose neutronica con
range energetico esteso (fino ai GeV, quindi sensibile a tutte le componenti neutroniche, da
acquistare) e dosimetri passivi analoghi a quelli utilizzati a Chacaltaya (eccetto il punto d).
Saranno inoltre installati dei sensori per dati meteo (pressione, temperatura, umidità, etc.) e un
sistema di alimentazione fotovoltaico (entrambi da acquistare).
L’installazione degli strumenti nei siti di misura di Chacaltaya e Monte Famatina sarà effettuata
da ricercatori INFN, mentre la gestione degli stessi e l’invio dei dati sarà a cura del personale
tecnico in loco (Università di La Paz, Università di Chilecito).
Tabella 1: Strumentazione per il Laboratorio di Chacaltaya:
Strumenti di dosimetria attivi: a
Sistema di Bonner spheres WAFINES *
Neutron rem counter Atomtex BDKN- 03 (25 meV < En < 14 MeV) ***
Atomtex BDKG 04 X and gamma rays dosimeter (15 keV < E < 3 MeV) ***
Liulin LET Spectrometer [28] ***
Strumenti di dosimetria passivi: a
Rivelatori a tracce CR-39 [29] *
Stack a fissione 209Bi per spettrometria neutronica [30][31] *
Dosimetri a termoluminescenza, TLD 100, 600 e 700 *
Rem counter passivo (Politectnico di Milano) [31] **
Altra strumentazione: a
Electric Mill Boltek ***
Magnetometro (Università di La Plata) [33] **
2 PC portatili per acquisizione dati *
8Tabella 2: Strumentazione per il Laboratorio di Chilecito:
Strumenti di dosimetria attivi: a
Rem counter per neutroni ALPHASYS mod. NECH (25 meV < En < 5 GeV) *
Strumenti di dosimetria passivi:
Rivelatori a tracce CR-39 [29] *
Stack a fissione 209Bi per spettrometria neutronica [30][31] ***
Dosimetri a termoluminescenza, TLD 100, 600 e 700 *
Altra strumentazione: A
Sensori per rilevazione dati meteo e sistema fotovoltaico di alimentazione *
Desktop per acquisizione dati **
*** Strumenti già in possesso del gruppo proponente
** Strumenti resi disponibili da altri enti
* Strumenti da acquistare/costruire
Organizzazione del Progetto
Attività previste:
1) Acquisto, preparazione, calibrazione e test degli strumenti di misura
I dosimetri attivi (rem counters, dosimetri per radiazione X e gamma, Liulin) e i misuratori di
campo elettrico saranno testati dal gruppo INFN di Torino.
Lo spettrometro per neutroni WAFINES sarà progettato al laboratorio LEMRAP (Laboratory for
Environmental and Medical RAdiation Phyisics) dei Laboratori Nazionali di Frascati e stampato
alle officine dei LNF. L'elettronica analogica ed il sistema di acquisizione verranno realizzati al
LEMRAP. Lo spettrometro sarà calibrato alla CERN-EU high-energy Reference Field (CERF)
facility facility del CERN [35], oppure al Laboratorio di alta quota dello Zugspitze, dove esiste
un sistema fisso di sfere di Bonner.
I dosimetri passivi a tracce e il rivelatore a fissione Bi209 saranno preparati e testati dal gruppo
di Torino, con la collaborazione dell’INFN di Bologna, che metterà a disposizione il laboratorio
per l’atching chimico e il sistema per la lettura ottica automatizzata delle tracce di post-attacco
[34].
I dosimetri passivi a termoluminescenza (TLD) saranno preparati e testati dal gruppo di Napoli.
Prima della spedizione in Sud America, tutti gli strumenti saranno messi in acquisizione
contemporaneamente per due mesi di test presso il laboratorio della Testa Grigia del CNR (alla
quota di 3480 m).
92) Acquisizione dati
Dopo l’installazione degli strumenti nei Laboratori di Chacaltaya e Chilecito da parte dei
ricercatori dei gruppi di Torino, Frascati e Trieste, la gestione degli strumenti e l’invio periodico
dei dati sarà compito del personale tecnico in loco (Università di La Paz, Università di
Chilecito).
In parallelo, nel Laboratorio della Testa Grigia, saranno tenuti in funzione un Modular Neutron
Monitor (INAF-IAPS) [36], gestito dal gruppo di Torino, insieme a un rem counter per neutroni
(di proprietà del gruppo di Torino) per avere un confronto dosimetrico ad alta quota
nell’emisfero Nord.
3) Analisi dati
L’analisi dei dati relativi ai vari strumenti verrà eseguita nelle rispettive sedi, mentre l’analisi
globale e la correlazione tra i vari set di dati sarà svolta dai gruppi di Torino e Trieste.
L’analisi dati relativa agli effetti dei campi elettrici sulla dose durante i temporali sarà eseguita
dal gruppo di Torino.
Le misure effettuate nei due laboratori di alta quota saranno messe a confronto con i dati ottenuti
presso la base antartica italo-francese Concordia (3230 m a.s.l.) dall’esperimento CORDIAL
(PNRA 2021-2022), dedicato a misure dosimetriche nella regione antartica, e con i dati ottenuti
dalle precedenti campagne di misura HALCORD e CORA nella base Antartica di Marambio, a
Ushuaia e a La Plata, in Argentina.
Una ulteriore correlazione sarà effettuata con i dati del nuovo radiospettropolarimetro solare,
denominato Trieste Solar Radio System 2.0, dedicato al monitoraggio del Radio Sole. Tale
strumento, di imminente acquisizione, sarà un nodo della futura INAF National Space Weather
Service Network e sarà in grado di prevedere in tempo (quasi) reale i possibili effetti indiretti sul
flusso di raggi cosmici misurato a terra associati ad intensi brillamenti radio solari, nota
l’associazione di brillamenti radio solari con i cosiddetti Solar Proton Event [27].
La correlazione con i dati del radiospettropolarimetro solare sarà a cura del gruppo di Trieste.
È inoltre possibile, data la contemporanea attività del presente progetto con diverse sonde
spaziali dedicate allo studio dell’attività solare, avere un confronto tra misure a terra con
osservazioni dallo spazio. Tale sinergia permetterebbe di identificare possibili variazioni del
flusso di raggi cosmici associate a fenomeni di attività solare. In particolare, dei dati al riguardo
possono essere ottenuti dal coronografo Metis a bordo di Solar Orbiter (probabilmente
disponibili nel 2022) in grado di identificare eventi solari eruttivi come coronal mass ejection
(CME) che potrebbero dare effetti sulla Terra a pochi giorni di distanza. La correlazione con i
dati del satellite SOLAR ORBITER sarà effettuata dai gruppi di Firenze e Torino.
4) Simulazioni Monte Carlo
I gruppi di Trieste e di Firenze realizzeranno codici MC ad hoc, basati su GEANT4, Fluka e
CORSIKA. Le simulazioni saranno eseguite per: a) valutare i flussi di raggi cosmici secondari e
della dose in un ampio intervallo energetico e confrontarli con i dati sperimentali, introducendo
modelli realistici di atmosfera e di attività solare (Torino e Trieste, rispettivamente), b) valutare
la risposta e l’efficienza della strumentazione (Firenze).
Il gruppo di UniTo di Fisica dell’Atmosfera svilupperà modelli di atmosfera per i siti di misura
10basandosi sul modello meteorologico alla mesoscala WRF (Weather Research and
Forecasting)[37], ampiamente utilizzato nel mondo sia a scopo previsionale che a scopo di
ricerca scientifica. Il modello sarà utilizzato per calcolare la distribuzione in atmosfera delle
principali grandezze di termodinamica e dinamica atmosferica (tra cui: temperatura, pressione,
umidità, velocità e direzione del vento, altezza di geopotenziale), nonché di una serie di
grandezze secondarie (nuvolosità, concentrazione di idrometeore in fase aeriforme, liquida e
solida, densità dell'aria, precipitazioni). I profili verticali calcolati dal modello costituiscono dei
data set realistici dell’atmosfera e possono essere usati come input al modello GEANT4 in
sostituzione ai profili climatologici che al momento sono implementati.
Cronoprogramma e milestones:
Anno 2021
2021 Gennaio-Settembre: Acquisto dosimetri attivi e passivi. Progetto e costruzione
spettrometro WAFINES. Calibrazioni degli strumenti.
2021 Luglio-Agosto: Test in field e inter-confronto strumenti al Laboratorio della Testa
Grigia.
2021 Settembre: Spedizione strumenti in Bolivia e Argentina.
2021 Ottobre – 2021 Dicembre: Prima fase della campagna di misura a Chacaltaya e al
Monte Famatina. Analisi dei primi dati e valutazione risultati.
Anno 2022
2022 Gennaio – 2022 Dicembre: Seconda fase di acquisizione dati.
2022 Dicembre: spedizione strumenti di ritorno in Italia
Analisi dati e simulazioni saranno svolte in parallelo durante tutta durata del progetto.
11Descrizione del gruppo di ricerca
Il gruppo di ricerca è ricco di competenze in vari campi, rispecchiando la multidisciplinarità del
progetto, spaziando dalla dosimetria alla fisica dei raggi cosmici, dalla fisica solare e space
weather alla fisica dell’atmosfera, con esperienza sia in strumentazione, che in analisi dati e
simulazioni.
Tabella 3: Gruppo di ricerca (FTE totali 8.0)
Sezioni Partecipanti Affiliazione Competenze
TORINO Silvia Vernetto (resp.naz.) INAF-OATO, INFN-To Raggi cosmici e dosimetria
2.1 FTE Claudio Cassardo UNiTo, INFN-To Fisica dell’atmosfera
Silvia Ferrarese UNiTo, INFN-To Fisica dell’atmosfera
Alessandro Liberatore INAF-OATO, INFN-To Space weather e dosimetria
Valeria Monti INFN-To Dosimetria
Piero Vallania INAF-OATO, INFN-To Raggi cosmici
Carlo Vigorito UNiTo, INFN-To Raggi cosmici, strumentazione
Alba Zanini INFN-To (senior) Dosimetria
FRASCATI Roberto Bedogni INFN-LNF Spettrometria neutronica
2.1 FTE Claudio Cantone INFN-LNF Ingegneria WAFINES
Jose-Maria Gomez-Ros INFN-LNF Simulazioni
Alessandro Lega INFN-LNF Analisi dati
TRIESTE Stefano Cirilli UniTs-INFN-Ts Geofisica e strumentazione
1.6 FTE Gianrossano Giannini UniTs-INFN-Ts (senior) Dosimetria e strumentazione
Giovanna Jerse INAF, UniTs-INFN-Ts Fisica solare e space weather
Mauro Messerotti INAF, UniTs-INFN-Ts Fisica solare e space weather
Riccardo Munini INFN-Ts Analisi dati
Alessandra Richetti UniTs-INFN-Ts Acquisizione dati
Diego Tonelli UniTs-INFN-Ts Analisi dati
NAPOLI Mariagabriella Pugliese UniNa, INFN-Na Dosimetria passiva con TLD
1.2 FTE Vittoria D’Avino UniNa, INFN-Na Dosimetria passiva con TLD
Giuseppe La Verde UniNa, INFN-Na Dosimetria passiva con TLD
FIRENZE Catia Grimani UniUrb , INFN-Fi Raggi cosmici e simulazioni
1.0 FTE Michele Fabi INFN-Fi Simulazioni
Andrea Viceré UniUrb , INFN-Fi Analisi dati
Mattia Villani UniUrb , INFN-Fi Analisi dati
Il gruppo di Torino ha un’esperienza trentennale sia in dosimetria, con particolare riguardo ai
neutroni [18]-[21], sia nello studio dei raggi cosmici in alta quota, con partecipazioni a vari
esperimenti con sciami atmosferici (tra cui i progetti INFN ARGO-YBJ in Tibet [17][38] e EAS-
TOP a Campo Imperatore presso i LNGS [13]), con competenze sia in strumentazione che analisi
dati.
Il gruppo di Torino ha anche una notevole esperienza in fisica dell’atmosfera, in particolare
nell’uso del modello WRF, che ha applicato in ricerche in campi diversi per ricavare lo stato
dell’atmosfera [39]-[41].
Il gruppo di neutronica LEMRAP dei LNF è noto per la riconosciuta esperienza nel campo della
progettazione e realizzazione di sistemi di spettrometrica neutronica [42][43]. Inoltre tale gruppo
12ha prodotto il codice di unfolding FRUIT, internazionalmente usato e riconosciuto per la
determinazione degli spettri neutronici da misure di sfere di Bonner e dispositivi a moderazione.
Il gruppo di Trieste ha una notevole esperienza nell’uso di Geant4 per le simulazioni neutroniche
a diverse energie specialmente per applicazioni dosimetriche [44], nonché competenze nel
campo dello studio dell’attività e della modulazione solare [45] e strumentazione ambientale
[46].
Il gruppo di radioattività ambientale del Dipartimento di Fisica "Ettore Pancini", Università
Federico II e sezione di Napoli, ha un’esperienza pluriennale nello studio e messa a punto di
tecniche di dosimetria e rivelazione delle radiazioni in ambito medico, spaziale e
terrestre[47][48].
Il gruppo di Firenze ha elevate competenze nell’uso del codice Fluka per simulazioni, che ha
utilizzato per valutare l’efficienza di strumenti nello spazio a bordo del satellite LISA Pathfinder
(missione dell’Agenzia Spaziale Europea) in funzione dell’attività solare e delle condizioni del
mezzo interplanetario [49][50].
I laboratori utilizzati per le misure del progetto SAMADHA sono resi disponibili dalle relative
istituzioni (vedi lettere in allegato con le dichiarazioni di interesse e conferma di collaborazione
delle diversi istituzioni), e sono riportati in Tab. 4, insieme ad altri laboratori (usati dai progetti
CORDIAL, HALCORD e CORA), i cui dati saranno utilizzati per confronto (vedi mappa Fig.
9):
Tabella 4
Sito Posizione Altitudine Coordinate Utilizzo
Laboratorio di La Paz, 5240 m 16.35° S, 68.13° W Installazione strumentazione
Chacaltaya Bolivia SAMADHA e
acquisizione dati
Laboratorio di Chilecito, 5100 m 28.92° S, 67.52° W Installazione strumentazione
Monte Famatina Argentina SAMADHA e
acquisizione dati
Laboratorio CNR Cervinia, 3480 m 45.95° N, 7.7° E Installazione strumentazione
della Testa Grigia Italia SAMADHA per test prima
della spedizione
Base italo-francese Dome C, 3230 m 75.1° S, 123.3° E Laboratorio per misure di
Concordia Antartide confronto ad alta quota in
Antartide
(progetto CORDIAL)
Base argentina Antartide 198 m 64.2° S, 56.6° W Progetti CORA e HALCORD
Marambio
Università di La Argentina 26 m 34.92° S, 57.95°W Progetto HALCORD
Plata
Laboratorio GAW Argentina 6m 54.8° S, 68.3° W Progetto CORA
di Ushuaia
13Fig. 8- A sinistra il Laboratorio di Chacaltaya (5240 m, La Paz, Bolivia), a destra il Laboratorio di Monte
Famatina (5100 m, Chilecito, Argentina)
Fig. 9- Mappa dei laboratori dell’emisfero Sud utilizzati nel progetto, insieme ad altri laboratori in cui
sono state effettuate o si effettueranno misure dosimetriche.
14Coinvolgimenti esterni alla CSN5
Enti collaboranti, ma non finanzianti (in grassetto gli enti direttamente coinvolti nel progetto):
Italia:
INAF-OATO
INAF-OATS
UniTo
UniTs
UniUrb
UniNa
CNR (vedi allegato)
Istituto Nazionale di Geofisica Vulcanologia - INGV (vedi allegato)
INAF-IAPS (mette a disposizione il neutron monitor del Lab. Testa Grigia)
Estero:
Universitad Mayor de San Andres di La Paz, Bolivia (vedi allegato)
Università di Chilecito – UndeC, Argentina (vedi allegato)
Università di La Plata, Argentina, con cui l’Università di Torino ha un accordo quadro di
collaborazione)
GAW (Global atmospheric Watch), Chacaltaya, Bolivia
Ente spaziale Argentino CONAE (Comision Nacional de Activitades Espaciales), con cui
è in via di definizione un accordo di collaborazione con INFN-To per l’installazione di un
dosimetro Liulin sul satellite SABIA-MAR (vedi allegato)
IPEV (Institut Polaire Francais), con cui il gruppo di Torino collabora per misure alla
base antartica Concordia.
Nota: La Sezione INFN di Torino (Alba Zanini) dal 2015 partecipa attivamente al progetto
UNdeC, CNR, INFN per la messa in opera del laboratorio di altura sul Monte Famatina,
contribuendo all’organizzazione dei corsi post-doc in Geofisica applicata, tenuti presso
l’Università di Chilecito negli anni 2015-2016-2017-2018.
15Indicare progetti in corso o finanziati negli ultimi cinque anni su tematiche analoghe
1) 2015-2017: Progetto CORA (INFN, Università di La Plata (UNLP), Istituto Antartico
Argentino (IAA)) consistente in misure dosimetriche alla base antartica argentina
Marambio, e a Ushuaia (Argentina);
2) 2017- 2020: Progetto HALCORD, finanziato da INFN (INFN, INAF, UNLP, IAA)
consistente in misure dosimetriche alla base antartica di Marambio e all’Università di La
Plata (Argentina);
3) 2020-2023: Progetto CORDIAL, finanziato dal Programma Nazionale di Ricerche in
Antartide (INFN, INAF, UNLP, IAA, IPEV) per misure dosimetriche alla base italo-
francese Concordia.
Descrizione dell’impatto e delle ricadute dei risultati della ricerca
Grazie alla sua natura interdisciplinare, il progetto SAMADHA può avere un notevole impatto in
diversi ambiti.
Dal punto di vista strumentale, rappresenta la prima applicazione di un nuovo tipo di
spettrometro per neutroni di alta sensibilità, WAFINES, con range energetico dal termico ai GeV,
di peso notevolmente ridotto rispetto agli spettrometri standard (8 invece di 35 kg), adatto ad
essere facilmente trasportato e utilizzato in siti di difficile accesso, come laboratori in alta quota
o in zone remote. Lo sviluppo di questo strumento permette di estendere misure dosimetriche di
alta precisione anche a siti non usualmente monitorati.
Dal punto di vista dosimetrico, le misure di SAMADHA rappresentano il primo monitoraggio in
alta quota nella regione della SAA, estendendo così la mappatura dosimetrica dell’emisfero Sud
iniziata con i progetti HALCORD e CORA in Antartide e che sarà proseguita nei prossimi anni
con il PNRA CORDIAL.
L’interesse del progetto va ben oltre il puro dato scientifico, se si considera che nella regione
andina vivono milioni di persone a quote estremamente elevate (si pensi all’altipiano boliviano,
situato a oltre 4000 metri, con un milione di persone nella sola città di El Alto, o alla Rinconada
in Perù, a oltre 5000 metri, dove vivono più di 20000 minatori).
I risultati di SAMADHA potranno anche essere di interesse nel campo delle interazioni Terra-
Sole, in particolare nello studio delle dinamiche delle fasce di Van Allen e relativi rilasci di
particelle in atmosfera, con particolare attenzione alle possibili ripercussioni sull’ambiente
terrestre.
Infine, le misure di SAMADHA saranno anche di interesse per studi dosimetri nello spazio,
come termine di confronto per i dati che saranno registrati dal detector Liulin-AR del gruppo
INFN di Torino (analogo a quello utilizzato in SAMADHA) che verrà posizionato sul satellite
argentino SABIA-MAR per monitorare la dose nello spazio nella regione della SAA, grazie una
collaborazione (in via di definizione, vedi allegato) tra INFN e l’ente spaziale argentino CONAE
([25][26]).
16BIBLIOGRAFIA
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20ULTERIORE DOCUMENTAZIONE
Allegati:
1) CV di Silvia Vernetto con lista 10 pubblicazioni.
2) Lettera del Direttore del Instituto de Investigaciones Fisicas de la Universitad Mayor de
San Andrés di La Paz, Ing. Pedro Miranda Loza, che conferma la sua collaborazione e la
disponibilità del Laboratorio di Chacaltaya per le misure dosimetriche del progetto
SAMADHA, nonché la possibilità di utilizzo dei dati dei due Neutron Monitor in loco.
3) Lettera del Rettore dell’Università Chilecito, Ing. Norberto Raul Caminoa, che conferma
la sua collaborazione e la disponibilità del Laboratorio di Monte Famatina per il progetto
SAMADHA.
4) Lettera del prof. Riccardo Doglioni, presidente dell’Istituto Nazionale di Geofisica e
Vulcanologia (INGV), in cui si dichiara l’interesse a collaborare al progetto SAMADHA,
per quanto concerne le misure nel Laboratorio del Monte Famatina.
5) Lettera del responsabile delegato del CNR-IMM di Bologna, Dr. Vittorio Morandi, in cui
si dichiara l’interesse a collaborare al progetto SAMADHA, per quanto concerne le
misure nel Laboratorio del Monte Famatina.
6) Bozza del Memorandum of Understanding tra INFN-To e CONAE (Comision Nacional
de Activitades Espaciales) per l’installazione di un dosimetro Liulin-AR sul satellite
SABIA-MAR.
21RICHIESTA FINANZIARIA
TORINO: 26.5 k€
Inventario 1 Rem counter per neutroni a range energetico esteso 11.0
modello AS-NECH
2 PC per acquisizione dati Chacaltaya 2.0
Missioni 1 missione x 2 persone a Chilecito (Argentina) e La Paz 6.0
(Bolivia), per organizzazione progetto e installazione
strumenti (due settimane)
6 missioni x 2 persone al Lab. Testa Grigia, durata 1 giorno, 2.0
per installazione test strumenti e controllo periodico misura
(è vietato accedere da soli al Lab.)
3 missioni in Italia per riunioni 1.5
Consumo Materiale informatico, carta, toner 0.5
Cassa per spedizione strumenti 0.5
Mylar per stack Bismuto 0.5
CR-39 rivelatore a tracce 0.5
Trasporti Spedizione strumenti di Torino e Trieste in Sud America e 2.0
sdoganamento
FRASCATI: 35.5 k€
Inventario UN notebook da istallare localmente per la gestione di 1.0
WAFINES
UNA alta tensione CAEN di tipo desktop ad 8 canali 5.5
Missioni 2 persone x 7 gg alla stazione metereologica dello Zugspitze 2.5
2650 mslm per Taratura WAFINES. La taratura avviene per
confronto diretto con il sistema di sfere di Bonner
permanente dell'Helmholtz Zentrum München
2 persone x 10 gg al laboratorio di Chacaltaya (Bolivia) per
installazione WAFINES e training del personale locale sul
5.0
suo uso al fine della manutenzione e smontaggio finale.
2 persone x 4 gg per campagna di "tuning" di tutta la
strumentazione al laboratorio Testa Grigia - Cervinia.
1.0
Consumo Materiale per stampante 3D (n. 4 cartucce) 2.0
TRE Casse in alluminio per spedizione 1.5
NOVE rivelatori ad Elio-3 da 10 bar e 2.8 cc, uno per sfera 11.0
più uno spare
Scheda ad 8 canali analogici (ogni canale deve avere 4.0
preamplificatore + shaper) per acquisire simultaneamente
tutte le sfere di WAFINES
Trasporti Trasporto sistema WAFINES per le campagne Zugspitze e 2.0
Chacaltaya. I costi sono circa 1200 € (nuda spedizione, fonti
SOCISEC che cura le spedizioni per i LNF) + 400
assicurazione + 200 (dogana, Bolivia)
22TRIESTE: 11 k€
Inventario Strumentazione per acquisizione dati meteorologici a Monte 2.5
Famatina
Materiale per alimentazione strumenti a Monte Famatina: 1.0
pannello fotovoltaico, regolatore di carica.
Missioni Missione per una persona a Chilecito (Argentina) e a La Paz 3.0
(Bolivia) per installazione centralina meteo e
strumentazione (2 settimane)
3 missioni per 1 persona al Laboratorio della Testa Grigia 2.0
(Cervinia) per realizzazione collegamento internet e messa
in rete strumenti (2-5 giorni)
2 missioni per 2 persone a Torino per implementazione 1.5
programmi di simulazioni e analisi dati (2 giorni)
Consumo Cancelleria, toner, carta 0.5
Acquisto batterie ed accumulatori per Lab. Monte Famatina 0.5
FIRENZE: 4 k€
Missioni 1 missione al Lab. Testa Grigia (Cervinia) per due persone 1.0
(durata 2 giorni) per studio dettagliato del rivelatore e del
laboratorio per le simulazioni
1 missione per meeting di collaborazione a Trieste per 1.0
coordinamento attività di simulazione per due persone
(durata due giorni)
1 meeting di collaborazione a Torino per due persone 1.0
(durata 2 giorni)
Consumo Consumo legato all'attività di simulazione, carta e toner ed 1.0
espansione RAM per WS già in possesso del gruppo
NAPOLI: 6 k€
Missioni 2 missioni per due giorni a Torino per riunioni 1.0
1 missione per 2 persone per taratura TLD presso una
facility INFN (TIFPA o altrove) 1.0
Consumo 50 x 3 dosimetri a termoluminescenza (TLD), per 4.0
Chacaltaya, Chilecito, Testa Grigia
Sommario:
Missioni Inventario Consumo Trasporti Totale
Torino 9.5 13.0 2.0 2.0 26.5
Frascati 8.5 6.5 18.5 2.0 35.5
Trieste 6.5 3.5 1.0 11.0
Napoli 2.0 4.0 6.0
Firenze 3.0 1.0 4.0
Totale 29.5 23.0 26.5 4.0 83.0
TOTALE: 83 keuro
23Per il secondo anno non sono previste spese per strumentazione.
Si prevede un spesa totale di circa 20 keuro:
2 missioni in Argentina e/o Bolivia (6.0 keuro)
6 missioni al Laboratorio Testa Grigia da Torino (2.0 keuro)
5 keuro di missioni riunioni in Italia (1 keuro per sede)
4 keuro di trasporti (ritorno strumenti in Italia da Bolivia e Argentina)
3 keuro consumo (0.5 per sede + varie)
24Puoi anche leggere
