Numerical and Analytical Methods for Laser-Plasma Acceleration Physics

Theories and numerical modeling are fundamental tools for understanding, optimizing and designing present and future laser-plasma accelerators (LPAs). Laser evolution and plasma wave excitation in a LPA driven by a weakly relativistically intense, short-pulse laser propagating in a preformed parabolic plasma channel, is studied analytically in 3D including the effects of pulse steepening and energy depletion. At higher laser intensities, the process of electron self-injection in the nonlinear bubble wake regime is studied by means of fully self-consistent Particle-in-Cell simulations. Considering a non-evolving laser driver propagating with a prescribed velocity, the geometrical properties of the non-evolving bubble wake are studied. For a range of parameters of interest for laser plasma acceleration, The dependence of the threshold for self-injection in the non-evolving wake on laser intensity and wake velocity is characterized. Due to the nonlinear and complex nature of the Physics involved, computationally challenging numerical simulations are required to model laser-plasma accelerators operating at relativistic laser intensities. The numerical and computational optimizations, that combined in the codes INF&RNO and INF&RNO/quasi-static give the possibility to accurately model multi-GeV laser wakefield acceleration stages with present supercomputing architectures, are discussed. The PIC code jasmine, capable of efficiently running laser-plasma simulations on Graphics Processing Units (GPUs) clusters, is presented. GPUs deliver exceptional performance to PIC codes, but the core algorithms had to be redesigned for satisfying the constraints imposed by the intrinsic parallelism of the architecture. The simulation campaigns, run with the code jasmine for modeling the recent LPA experiments with the INFN-FLAME and CNR-ILIL laser systems, are also presented.

Raccontare gli Antichi: le "Imagini" di Vincenzo Cartari

Con le "Imagini degli dei degli antichi", pubblicate a Venezia nel 1556 e poi in più edizioni arricchite e illustrate, l’impegnato gentiluomo estense Vincenzo Cartari realizza il primo, fortunatissimo manuale mitografico italiano in lingua volgare, diffuso e tradotto in tutta l’Europa moderna. Cartari rimodula, secondo accenti divulgativi ma fedeli, fonti latine tradizionali: come le ricche "Genealogie deorum gentilium" di Giovanni Boccaccio, l’appena precedente "De deis gentium varia et multiplex historia" di Lilio Gregorio Giraldi, i curiosi "Fasti" ovidiani, da lui stesso commentati e tradotti. Soprattutto, però, introduce il patrimonio millenario di favole ed esegesi classiche, di aperture egiziane, mediorientali, sassoni, a una chiave di lettura inedita, agile e vitalissima: l’ecfrasi. Le divinità e i loro cortei di creature minori, aneddoti leggendari e attributi identificativi si susseguono secondo un taglio iconico e selettivo. Sfilano, in trionfi intrisi di raffinato petrarchismo neoplatonico e di emblematica picta poesis rinascimentale, soltanto gli aspetti figurabili e distintivi dei personaggi mitici: perché siano «raccontate interamente» tutte le cose attinenti alle figure antiche, «con le imagini quasi di tutti i dei, e le ragioni perché fossero così dipinti». Così, le "Imagini" incontrano il favore di lettori colti e cortigiani eleganti, di pittori e ceramisti, di poeti e artigiani. Allestiscono una sorta di «manuale d’uso» pronto all’inchiostro del poeta o al pennello dell’artista, una suggestiva raccolta di «libretti figurativi» ripresi tanto dalla maniera di Paolo Veronese o di Giorgio Vasari, quanto dal classicismo dei Carracci e di Nicolas Poussin. Si rivelano, infine, summa erudita capace di attirare appunti e revisioni: l’antiquario padovano Lorenzo Pignoria, nel 1615 e di nuovo nel 1626, vi aggiunge appendici archeologiche e comparatistiche, interessate al remoto regno dei faraoni quanto agli esotici idoli orientali e dei Nuovi Mondi.

Abitati rupestri e citta' fortificate nella Sicilia occidentale dai bizantini ai normanni

La ricerca effettuata, analizza in modo razionale ma contestualmente divulgativo, le dinamiche insediative che hanno caratterizzato il paesaggio della Sicilia occidentale dall'occupazione bizantina al dominio da parte dei Normanni ( 535-1194 d.C. circa ). Il volume presenta una chiara raccolta dei documenti e delle fonti letterarie che riguarda gli abitati rurali ed i borghi incastellati della Sicilia occidentale e pone l’interesse sia per la cultura materiale che per la gestione ed organizzazione del territorio. Attraverso i risultati delle attestazioni documentarie, unite alle ricerche archeologiche ( effettuate nel territorio preso in esame sia in passato che nel corso degli ultimi anni ) viene redatto un elenco dei siti archeologici e dei resti monumentali ( aggiornato fino al 2013-14 ) in funzione della tutela, conservazione e valorizzazione del paesaggio. Sulla base dei documenti rinvenuti e delle varie fonti prese in esame ( letterarie, archeologiche, monumentali, toponomastiche ) vengono effettuate alcune considerazioni sull’insediamento sparso, sull’incastellamento, sulle istituzioni e sulla formazione delle civitates. L’indagine svolta, attraverso cui sono stati individuati i documenti e le fonti, comprende anche una parziale ricostruzione topografica dei principali centri abitativi indagati. Per alcune sporadiche strutture medievali, talvolta raffigurate in fortuite stampe del XVI-XVII secolo, è stato possibile, in aggiunta, eseguire un rilievo architettonico. La descrizione degli abitati rurali e dei siti fortificati, infine, è arricchita da una serie di schede in cui vengono evidenziati i siti archeologici, i resti monumentali ed i reperti più interessanti del periodo bizantino, arabo e normanno-svevo della Sicilia occidentale.

Role of Non-coding RNAs in chemotherapeutic treatments

The transcribed ultraconserved regions (T-UCRs) are a group of long non-coding RNAs involved in human carcinogenesis. The factors regulating the expression of T-UCRs and their mechanism of action in human cancers are unknown. In this work it was shown that high expression of uc.339 associates with lower survival in 204 non-small cell lung cancer (NSCLC) patients. Moreover, it was shown that uc.339 found up-regulated in archival NSCLC samples, acts as a decoy RNA for miR-339-3p, -663-3p and -95-5p. So, Cyclin E2, a direct target of three microRNAs is up-regulated, inducing cancer growth and migration. Evidence of this mechanism was provided from cell lines and primary samples confirming that TP53 directly regulates uc.339. These results support a key role for uc.339 in lung cancer.

Global and regional sea level variations in the recent past and future: insight from observations and modeling

This work is focused on the analysis of sea–level change (last century), based mainly on instrumental observations. During this period, individual components of sea–level change are investigated, both at global and regional scales. Some of the geophysical processes responsible for current sea-level change such as glacial isostatic adjustments and current melting terrestrial ice sources, have been modeled and compared with observations. A new value of global mean sea level change based of tide gauges observations has been independently assessed in 1.5 mm/year, using corrections for glacial isostatic adjustment obtained with different models as a criterion for the tide gauge selection. The long wavelength spatial variability of the main components of sea–level change has been investigated by means of traditional and new spectral methods. Complex non–linear trends and abrupt sea–level variations shown by tide gauges records have been addressed applying different approaches to regional case studies. The Ensemble Empirical Mode Decomposition technique has been used to analyse tide gauges records from the Adriatic Sea to ascertain the existence of cyclic sea-level variations. An Early Warning approach have been adopted to detect tipping points in sea–level records of North East Pacific and their relationship with oceanic modes. Global sea–level projections to year 2100 have been obtained by a semi-empirical approach based on the artificial neural network method. In addition, a model-based approach has been applied to the case of the Mediterranean Sea, obtaining sea-level projection to year 2050.

Essays on Ethnic Diversity and Development

This dissertation consists of three papers. The first paper "Ethnicity, Migration and Conflict: Evidence from Contemporary South Africa” exploits some of the institutional changes intervened in South Africa during the end of apartheid to investigate the relationship between ethnic diversity and conflict. I find within-ethnic polarization to be significantly related to the intensity of armed confrontations among black-dominated groups. My investigation thus gives strong and robust empirical support to the theoretical arguments which identify ethnic diversity as one of the determinants of civil conflict. The second chapter, "Pre-Colonial Centralization, Colonial Activities and Development in Latin America", investigates the hypothesis that pre-colonial ethnic institutions shaped contemporary regional development in Latin America. I document a strong and positive relationship between pre-colonial centralization and regional development. Results are in line with the view that highly centralized pre-colonial societies acted as a persistent force of agglomeration of economic activities and a strong predictor of colonial state capacity. The results provide a first evidence of the existence of a link between pre-colonial centralization, colonial institutional arrangements and contemporary economic development. The third paper "Bite and Divide: Malaria and Ethnic Diversity” investigates the role of malaria as a fundamental determinant of modern ethnic diversity. This paper explores the hypothesis, that a large exposure to malaria has fostered differential interactions that reduced contacts between groups and increased interactions within them Results document that malaria increases the number of ethnic groups at all levels of spatial disaggregation and time periods (exploiting historical and current ethnic diversity). Regressions' results show that endogamous marriages are more frequent in areas with higher geographic suitability to malaria. The results are in line with the view that malaria increases intra-ethnic interactions while decreasing inter-ethnic ones.

Advanced polymeric materials for applications in technical equipment for snow sports

The thesis is divided in three chapters, each one covering one topic. Initially, the thermo-mechanical and impact properties of materials used for back protectors have been analysed. Dynamical mechanical analysis (DMTA) has shown that materials used for soft-shell protectors present frequency-sensitive properties. Furthermore, through impact tests, the shock absorbing characteristics of the materials have been investigated proving the differences between soft and hard-shell protectors; moreover it has been demonstrated that the materials used for soft-shell protectors maintain their protective properties after multi-impacts. The second chapter covers the effect of the visco-elastic properties of the thermoplastic polymers on the flexural and rebound behaviours of ski boots. DMTA analysis on the materials and flexural and rebound testing on the boots have been performed. A comparison of the results highlighted a correlation between the visco-elastic properties and the flexural and rebound behaviour of ski boots. The same experimental methods have been used to investigate the influence of the design on the flexural and rebound behaviours. Finally in the third chapter the thermoplastic materials employed for the construction of ski boots soles have been characterized in terms of chemical composition, hardness, crystallinity, surface roughness and coefficient of friction (COF). The results showed a relation between material hardness and grip, in particular softer materials provide more grip with respect to harder materials. On the contrary, the surface roughness has a negative effect on friction because of the decrease in contact area. The measure of grip on inclined wet surfaces showed again a relation between hardness and grip. The performance ranking of the different materials has been the same for the COF and for the slip angle tests, indicating that COF can be used as a parameter for the choice of the optimal material to be used for the soles of ski boots.

Electrochemical imaging of living cell metabolism: investigation on Warburg effect in cancer

Cancer is one of the principal causes of death in the world; almost 8.2 million of deaths were counted in 2012. Emerging evidences indicate that most of the tumors have an increased glycolytic rate and a detriment of oxidative phosphorylation to support abnormal cell proliferation; this phenomenon is known as aerobic glycolysis or Warburg effect. This switching toward glycolysis implies that cancer tissues metabolize approximately tenfold more glucose to lactate in a given time and the amount of lactate released from cancer tissues is much greater than from normal ones. In view of these fundamental discoveries alterations of the cellular metabolism should be considered a crucial hallmark of cancer. Therefore, the investigation of the metabolic differences between normal and transformed cells is important in cancer research and it might find clinical applications. The aim of the project was to investigate the cellular metabolic alterations at single cell level, by monitoring glucose and lactate, in order to provide a better insight in cancer research. For this purpose, electrochemical techniques have been applied. Enzyme-based electrode biosensors for lactate and glucose were –ad hoc- optimized within the project and used as probes for Scanning Electrochemical Microscopy (SECM). The UME biosensor manufacturing and optimization represented a consistent part of the work and a full description of the sensor preparation protocols and of the characterization methods employed is reported. This set-up (SECM used with microbiosensor probes) enabled the non-invasive study of cellular metabolism at single cell level. The knowledge of cancer cell metabolism is required to design more efficient treatment strategies.

Epigenetic role of N-Myc in Neuroblastoma

Childhood neuroblastoma is the most common solid tumour of infancy and highly refractory to therapy. One of the most powerful prognostic indicators for this disease is the N-Myc gene amplification, which occurs in approximately 25% of all neuroblastomas. N-Myc is a member of transcription factors belonging to a subclass of the larger group of proteins sharing Basic-Region/Helix–Loop–Helix/Leucin-Zipper (BR/HLH/LZ) motif. N-Myc oncoproteins may determine activation or repression of several genes thanks to different protein-protein interactions that may modulate its transcriptional regulatory ability and therefore its potential for oncogenicity. Chromatin modifications, including histone methylation, have a crucial role in transcription de-regulation of many cancer-related genes. Here, it was investigated whether N-Myc can functionally and/or physically interact with two different factors involved in methyl histone modification: WDR5 (core member of the MLL/Set1 methyltransferase complex) and the de- methylase LSD1. Co-IP assays have demonstrated the presence of both N-Myc-WDR5 and N-Myc-LSD1 complexes in two neuroblastoma cell lines. Human N-Myc amplified cell lines were used as a model system to investigate on transcription activation and/or repression mechanisms carried out by N-Myc-LSD1 and N-Myc-WDR5 protein complexes. qRT-PCR and immunoblot assays underlined the ability of both complexes to positively (N-Myc-WDR5) and negatively (N-Myc-LSD1) influence transcriptional regulation of crititical neuroblastoma N-Myc-related genes, MDM2, p21 and Clusterin. Ch-IP experiments have revealed the binding of the N-Myc complexes above mentioned to the gene promoters analysed. Finally, pharmacological treatment pointed to abolish N-Myc and LSD1 activity were performed to test cellular alterations, such as cell viability and cell cycle progression. Overall, the results presented in this work suggest that N-Myc can interact with two distinct histone methyl modifiers to positively and negatively affect gene transcription in neuroblastoma.

All'origine dello squilibrio di potere negoziale della parte agricola nella food supply chain: il caso della suinicoltura in Emilia-Romagna

Il settore suinicolo ricopre un ruolo rilevante nel contesto nazionale, con ricadute economiche e sociali di primaria importanza in varie regioni. Tuttavia da alcuni anni il settore si trova in crisi a causa dell’instabilità dei mercati internazionali, dello scarso coordinamento tra gli attori della filiera, della progressiva riduzione della redditività dei prodotti trasformati a Denominazione di Origine, della mancata valorizzazione dei tagli di carne fresca, nonché della difficoltà di aggredire i mercati esteri. Altre criticità riguardano la distribuzione del valore lungo la filiera e la scarsa efficacia delle politiche di coordinamento finora adottate. L'obiettivo della ricerca è quello di identificare gli elementi che possono garantire maggiore equilibrio di potere negoziale tra allevatori suinicoli e macellatori rispetto alla situazione attuale: verificati gli elementi critici che caratterizzano la relazione commerciale tra allevatori e macellatori, si avanzano alcune proposte operative utili al superamento delle fratture tra la componente agricola e quella dei macelli in Emilia Romagna. La struttura della tesi è la seguente: (capitolo 1) si descrive il quadro economico del settore suinicolo a livello internazionale e nazionale. Successivamente (capitolo 2) si passano in rassegna le teorie economiche utili a comprendere le ragioni alla base del malfunzionamento dei rapporti tra gli attori della filiera agroalimentare, mentre nel terzo capitolo è richiamato il quadro normativo comunitario, nazionale e regionale all’interno del quale tali relazioni si configurano. Nel quarto capitolo si elabora un modello interpretativo al fine di spiegare le fratture che oggi contraddistinguono le relazioni in essere tra gli attori della filiera: il “modello delle fratture”. Alla luce di questa concettualizzazione è stata svolta un’indagine diretta svolta presso gli operatori aderenti all’Organizzazione Interprofessionale del Gran Suino Italiano, i cui risultati hanno consentito di valutare l’efficacia del modello interpretativo e di fornire indicazioni migliorative della strategia di governance delle relazioni tra allevatori e macellatori.

Giardini per rivivere: orticoltura e giardinaggio a fini terapeutici in contesti sanitari

Questa tesi riassume il lavoro di ricerca da me effettuato per studiare i meccanismi della relazione uomo - pianta su cui si basa l’orticoltura terapeutica, le sue modalità di attuazione e le risposte dei pazienti al lavoro in giardino. La ricerca si è svolta in due diversi giardini terapeutici con pazienti adulti con varie tipologie di disabilità fisica o psichica. Partendo dalla analisi delle basi teoriche su cui si fonda l’ortoterapia, l’obiettivo era di capire come creare le condizioni migliori per ottenere i massimi benefici dall’uso dell’orticoltura e del giardinaggio per il benessere delle persone. Due elementi sono apparsi fondamentali per il raggiungimento degli obiettivi terapeutici: il primo è lo stretto legame esistente tra la forma del giardino e delle piante e la sua funzione terapeutica; il secondo sta nella necessità di creare nel paziente una connessione profonda con il giardino e il lavoro con le piante è risultato essere un fattore determinante per farlo. Utilizzando questionari e osservazioni degli utenti, sono stati raccolti ed elaborati dati relativi al benessere dei pazienti durante e dopo le attività in giardino e si è cercato di trovare un indice, individuato poi nella variazione di percezione del pollice verde, che potesse essere utilizzato per esprimere la soddisfazione del paziente. Infine si è cercato di capire come potesse variare la capacità ristorativa del giardino, in funzione della frequenza di visita e dell’attività che vi si svolgeva, attraverso la somministrazione della versione italiana della scala PRS a chi era impegnato nelle attività di orticoltura e giardinaggio, a chi passeggiava nel parco e a chi invece non lo frequentava regolarmente ma lo conosceva bene: è risultato che le tre modalità di fruizione del giardino davano ai fruitori un potenziale rigenerativo diverso e significativamente più alto per chi metteva le mani nella terra.

How teachers think about the role of digital technologies in student assessment in mathematics

This study concerns teachers’ use of digital technologies in student assessment, and how the learning that is developed through the use of technology in mathematics can be evaluated. Nowadays math teachers use digital technologies in their teaching, but not in student assessment. The activities carried out with technology are seen as ‘extra-curricular’ (by both teachers and students), thus students do not learn what they can do in mathematics with digital technologies. I was interested in knowing the reasons teachers do not use digital technology to assess students’ competencies, and what they would need to be able to design innovative and appropriate tasks to assess students’ learning through digital technology. This dissertation is built on two main components: teachers and task design. I analyze teachers’ practices involving digital technologies with Ruthven’s Structuring Features of Classroom Practice, and what relation these practices have to the types of assessment they use. I study the kinds of assessment tasks teachers design with a DGE (Dynamic Geometry Environment), using Laborde’s categorization of DGE tasks. I consider the competencies teachers aim to assess with these tasks, and how their goals relate to the learning outcomes of the curriculum. This study also develops new directions in finding how to design suitable tasks for student mathematical assessment in a DGE, and it is driven by the desire to know what kinds of questions teachers might be more interested in using. I investigate the kinds of technology-based assessment tasks teachers value, and the type of feedback they give to students. Finally, I point out that the curriculum should include a range of mathematical and technological competencies that involve the use of digital technologies in mathematics, and I evaluate the possibility to take advantage of technology feedback to allow students to continue learning while they are taking a test.

L’effetto “età della Terra”. Contratto didattico e principi regolativi dell’azione degli studenti in matematica.

L’oggetto di questa tesi è un fenomeno didattico osservato in due valutazioni standardizzate nazionali INVALSI, legato all’atteggiamento degli studenti mentre svolgono task di matematica. L’effetto, che abbiamo denotato effetto “età della Terra”, è stato interpretato in questa ricerca attraverso l’interazione e il confronto di diversi costrutti teorici che spiegano come questo effetto, che può essere considerato come una tipica situazione di contratto didattico, è generato dalla relazione studente-insegnante ma può diventare più strettamente legato al rapporto che hanno gli studenti con la matematica. Inizialmente abbiamo condotto uno studio dei risultati statistici delle valutazioni standardizzate nazionali (Rash Analysis). Il primo step della sperimentazione è consistito nella preparazione, validazione e somministrazione di 612 questionari a studenti di diversi livelli scolastici e basandoci sui risultati dei questionari abbiamo condotto interviste di gruppo. L’analisi quantitativa e qualitativa dei risultati ha confermato la presenza dell’effetto “età della Terra” e ha mostrato che questo effetto è indipendente dal livello scolastico e dall’età degli studenti, dal contenuto matematico e dal contesto dei task proposti. La seconda parte della ricerca è stata volta ad indagare la cause di questo effetto. Abbiamo infatti individuato un principio regolativo che condizione l’azione degli studenti mentre fanno attività matematica e abbiamo condotto molte interviste individuali per indagarlo. Il comportamento degli studenti intervistati è stato così studiato e classificato con i costrutti del quadro teorico.