Applications of High Speed Configurable Logic Devices in Modern Particle Physics Experiments

Several activities were conducted during my PhD activity. For the NEMO experiment a collaboration between the INFN/University groups of Catania and Bologna led to the development and production of a mixed signal acquisition board for the Nemo Km3 telescope. The research concerned the feasibility study for a different acquisition technique quite far from that adopted in the NEMO Phase 1 telescope. The DAQ board that we realized exploits the LIRA06 front-end chip for the analog acquisition of anodic an dynodic sources of a PMT (Photo-Multiplier Tube). The low-power analog acquisition allows to sample contemporaneously multiple channels of the PMT at different gain factors in order to increase the signal response linearity over a wider dynamic range. Also the auto triggering and self-event-classification features help to improve the acquisition performance and the knowledge on the neutrino event. A fully functional interface towards the first level data concentrator, the Floor Control Module, has been integrated as well on the board, and a specific firmware has been realized to comply with the present communication protocols. This stage of the project foresees the use of an FPGA, a high speed configurable device, to provide the board with a flexible digital logic control core. After the validation of the whole front-end architecture this feature would be probably integrated in a common mixed-signal ASIC (Application Specific Integrated Circuit). The volatile nature of the configuration memory of the FPGA implied the integration of a flash ISP (In System Programming) memory and a smart architecture for a safe remote reconfiguration of it. All the integrated features of the board have been tested. At the Catania laboratory the behavior of the LIRA chip has been investigated in the digital environment of the DAQ board and we succeeded in driving the acquisition with the FPGA. The PMT pulses generated with an arbitrary waveform generator were correctly triggered and acquired by the analog chip, and successively they were digitized by the on board ADC under the supervision of the FPGA. For the communication towards the data concentrator a test bench has been realized in Bologna where, thanks to a lending of the Roma University and INFN, a full readout chain equivalent to that present in the NEMO phase-1 was installed. These tests showed a good behavior of the digital electronic that was able to receive and to execute command imparted by the PC console and to answer back with a reply. The remotely configurable logic behaved well too and demonstrated, at least in principle, the validity of this technique. A new prototype board is now under development at the Catania laboratory as an evolution of the one described above. This board is going to be deployed within the NEMO Phase-2 tower in one of its floors dedicated to new front-end proposals. This board will integrate a new analog acquisition chip called SAS (Smart Auto-triggering Sampler) introducing thus a new analog front-end but inheriting most of the digital logic present in the current DAQ board discussed in this thesis. For what concern the activity on high-resolution vertex detectors, I worked within the SLIM5 collaboration for the characterization of a MAPS (Monolithic Active Pixel Sensor) device called APSEL-4D. The mentioned chip is a matrix of 4096 active pixel sensors with deep N-well implantations meant for charge collection and to shield the analog electronics from digital noise. The chip integrates the full-custom sensors matrix and the sparsifification/readout logic realized with standard-cells in STM CMOS technology 130 nm. For the chip characterization a test-beam has been set up on the 12 GeV PS (Proton Synchrotron) line facility at CERN of Geneva (CH). The collaboration prepared a silicon strip telescope and a DAQ system (hardware and software) for data acquisition and control of the telescope that allowed to store about 90 million events in 7 equivalent days of live-time of the beam. My activities concerned basically the realization of a firmware interface towards and from the MAPS chip in order to integrate it on the general DAQ system. Thereafter I worked on the DAQ software to implement on it a proper Slow Control interface of the APSEL4D. Several APSEL4D chips with different thinning have been tested during the test beam. Those with 100 and 300 um presented an overall efficiency of about 90% imparting a threshold of 450 electrons. The test-beam allowed to estimate also the resolution of the pixel sensor providing good results consistent with the pitch/sqrt(12) formula. The MAPS intrinsic resolution has been extracted from the width of the residual plot taking into account the multiple scattering effect.

Il cibo come creatore di circoli virtuosi. Slow Food e Terra Madre, eccellenze nello sviluppo sostenibile del territorio.

Punto di partenza per il lavoro presentato, sono le tematiche legate alle pratiche di consumo di cibo in un’ottica che superi una semplice visione utilitaristica delle stesse, mentre viene evidenziato invece il più profondo rapporto uomo-cibo e i fenomeni di socializzazione che ne scaturiscono. Si trovano pertanto a coniugarsi la sociologia dei consumi e la sociologia della cultura. La base per questa visione del cibo e delle pratiche di produzione e consumo ad esso collegate è l’ipotesi che nel rapporto uomo-cibo sia individuabile un livello di significato superiore al mero utilitarismo/nutrizionismo, che si compone di una dimensione strutturale, una dimensione simbolica ed una dimensione metaforica. Il cibo, e di conseguenza tutte le pratiche ad esso collegate (produzione, elaborazione, consumo), rientrano pertanto in maniera naturale nella categoria “cultura”, e quindi, accostandoci al paradigma del passaggio da natura a società, attraverso il cibo si crea e si alimenta la socialità del consorzio umano, e quindi l’umanità stessa. Accostando a queste concettualizzazioni l’idea che il consumo in generale possa diventare una prassi tramite cui esperire una più diffusa ricerca di sostenibilità nello sviluppo del territorio, (facendosi carico delle conseguenze socio-ambientali derivanti dalla fruizione di determinati oggetti piuttosto che altri), si è sviluppata l’ipotesi che al consumo alimentare possa competere un ruolo precipuamente attivo nella definizione di pratiche sociali orientate alla sostenibilità, capaci cioè di integrare attraverso il consumo – e in relazione all’indebolimento delle tradizionali agenzie di socializzazione – quella perdita di senso civico e solidarietà organizzata che sperimentiamo nelle prassi di vita quotidiana. Sul piano operativo, la tesi è articolata in sei capitoli: • Il percorso presentato prende le mosse dalla considerazione che il cibo, inteso in un’ottica sociologica, costituisce un fattore culturale non irrilevante, anzi fondamentale per il consorzio umano. Si fornisce quindi una breve descrizione del ruolo del cibo nei suoi accostamenti con la definizione di un territorio (e quindi con la sua storia, economia e società), con le arti visive, con il cinema, con la musica, ma anche con la sfera sensoriale (tatto, gusto, olfatto) ed emotivo-cognitiva (psiche) dell’uomo. • Successivamente, si analizza nello specifico la funzione socializzante delle pratiche alimentari, ripercorrendo le tappe principali degli studi classici di sociologia e antropologia dell’alimentazione e introducendo anche l’idea di cibo come simbolo e metafora, che si riflettono sul piano sociale e sulle relazioni tra gli individui. La constatazione che le pratiche legate al cibo sono le uniche attività umane da sempre e per sempre irrinunciabili è un chiaro indicatore di come esse giochino un ruolo fondamentale nella socializzazione umana. • Nel terzo capitolo, la prospettiva simbolico-metaforica è la base di un’analisi di tipo storico delle pratiche alimentari, nello specifico delle pratiche di consumo di cibo, dalle origini dell’umanità ai giorni nostri. Viene presentato un excursus essenziale in cui l’attenzione è focalizzata sulla tavola, sui cibi ivi serviti e sugli eventi di socializzazione che si sviluppano attorno ad essa, considerando situazioni storico-sociali oggettive di cui si è in grado, oggi, di ricostruire le dinamiche e le fasi più significative. • Il quarto capitolo costituisce un momento di riflessione teorica intorno al tema della globalizzazione nella contemporaneità. Sia per una logica progressione cronologica all’interno del lavoro presentato, sia per la rilevanza in quanto inerente alla società attuale in cui viviamo, non si è potuto infatti non soffermarsi un po’ più a fondo sull’analisi delle pratiche alimentari nella contemporaneità, e quindi nella società generalmente definita come “globalizzata” (o “mcdonaldizzata”, per dirla alla Ritzer) ma che in realtà è caratterizzata da un più sottile gioco di equilibri tra dimensione locale e dimensione globale, che si compenetrano come anche nel termine che indica tale equilibrio: il “glocale”. In questo capitolo vengono presentati i principali riferimenti teorici relativi a queste tematiche. • Nel quinto capitolo è stata analizzata, quindi, la declinazione in senso “alimentare” della relazione tra globale e locale, e quindi non solo i mutamenti intercorsi nella contemporaneità nelle pratiche di produzione, scambio e consumo di cibo con particolare riferimento ai sistemi culturali e al territorio, ma anche alcune proposte (sia teoriche che pratiche) a garanzia di uno sviluppo sostenibile del territorio, che trovi i suoi fondamenti sulla perpetuazione di modalità tradizionali di produzione, commercio e consumo di cibo. • Nel sesto capitolo viene analizzato un caso di studio significativo, (il movimento Slow Food, con il suo progetto Terra Madre) senza la pretesa di confermare o smentire né le ipotesi di partenza, né i concetti emersi in itinere, ma semplicemente con l’intenzione di approfondire il percorso svolto attraverso l’esemplificazione operativa e la ricerca entro un piccolo campione composto da testimoni significativi e intervistati, sottoposti a colloqui e interviste incentrate su item inerenti i temi generali di questo lavoro e sul caso di studio considerato. La scelta del caso è motivata dalla considerazione che, alla luce delle filosofia che lo anima e delle attività che svolge, il movimento Slow Food con il progetto Terra Madre costituisce una vera e propria eccellenza nella pianificazione di uno sviluppo sostenibile del territorio e delle sue risorse, tanto economiche quanto sociali e culturali. L’intera analisi è stata condotta tenendo presente l’importanza della comparazione e della collocazione del singolo caso non solo nel contesto sociale di riferimento, ma anche in sintonia con l’ipotesi della ricerca, e quindi con l’assunto che le pratiche alimentari possano guidare uno sviluppo sostenibile del territorio. Per analizzare la realtà individuata, si è in primo luogo proceduto alla raccolta e all’analisi di dati e informazioni volte alla ricostruzione della sua storia e del suo sviluppo attuale. Le informazioni sono state raccolte attraverso l’analisi di materiali, documenti cartacei e documenti multimediali. Si è poi proceduto con colloqui in profondità a testimoni significativi individuati nell’ambito delle attività promosse da Slow Food, con particolare riferimento alle attività di Terra Madre; le informazioni sono state elaborate con l’ausilio dell’analisi del contenuto. Alla luce di quanto analizzato, tanto a livello teorico quanto a livello empirico, la tesi si conclude con alcune considerazioni che, in linea con la finalità dichiarata di approfondire (più che di confermare o smentire) le ipotesi di partenza circa un ruolo fondamentale delle pratiche alimentari nello sviluppo sostenibile del territorio, non possono comunque non tendere ad una convalida dei concetti introduttivi. Si individuano pertanto spunti importanti per affermare che nelle pratiche alimentari, nei tre momenti in cui trovano specificazione (la produzione, lo scambio, il consumo), siano individuabili quei semi valoriali che possono dare solidità alle ipotesi di partenza, e che quindi - nell’intento di operare per uno sviluppo sostenibile del territorio - sia possibile farne un valido strumento al fine di costruire dei veri e propri percorsi di sostenibilità ancorati ai concetti di tutela della tradizione locale, recupero e salvaguardia dei metodi tradizionali di produzione e conservazione, certificazione di tipicità, controllo della distribuzione, riscatto e promozione delle modalità tradizionali di consumo con particolare riferimento alle culture locali.

Sulforaphane as a multifunctional neuroprotective molecule to prevent and slow down the progression of Alzheimer’s disease

Oxidative stress has been implicated in the pathogenesis of a number of diseases including neurodegenerative disorders, cancer, ischemia, etc. Alzheimer’s disease (AD) is histopathologically characterized by the presence of extracellular senile plaque (SP), predominantly consisting of fibrillar amyloid-peptide (Aβ), intracellular neurofibrillary tangles (NFTs), composed of hyperphosphorylated tau protein, and cell loss in the selected regions of the brain. However, the pathogenesis of AD remains largely unknown, but a number of hypothesis were proposed for AD mechanisms, which include: the amyloid cascade, excitotoxicity, oxidative stress and inflammation hypothesis, and all of them are based, to some extent on the role of A. Accumulated evidence indicates that the increased levels of ROS may act as important mediators of synaptic loss and eventually promote formation of neurofibrillary tangles and senile plaques. Therefore a vicious circle between ROS and Aaccumulation may accelerate progression of AD. For these reasons, growing attention has focused on oxidative mechanism of Atoxicity as well as the search for novel neuroprotective agents. A strategy to prevent the oxidative stress in neurons may be the use of chemopreventive agents as inducers of antioxidant and phase 2 enzymes. Sulforaphane (SF), derived from corresponding glucoraphanin, glucosinolate found in abundance in cruciferous vegetables, has recently gained attention as a potential neuroprotective compound inducer of antioxidant phase 2 enzymes. Consistent with this evidence, the study is aimed at identifying the SF ability to prevent and counteract the oxidative damage inducted by oligomers of Aβ (1-42) in terms of impairment in the intracellular redox state and cellular death in differentiated human neuroblastoma and microglia primary cultures. In addition we will evaluated the mechanism underlying the SF neuroprotection activity.

Analysis of the Slow Food movement impact on the farmers and rural areas’ sustainable development

The evaluation of the farmers’ communities’ approach to the Slow Food vision, their perception of the Slow Food role in supporting their activity and their appreciation and expectations from participating in the event of Mother Earth were studied. The Unified Theory of Acceptance and Use of Technology (UTAUT) model was adopted in an agro-food sector context. A survey was conducted, 120 questionnaires from farmers attending the Mother Earth in Turin in 2010 were collected. The descriptive statistical analysis showed that both Slow Food membership and participation to Mother Earth Meeting were much appreciated for the support provided to their business and the contribution to a more sustainable and fair development. A positive social, environmental and psychological impact on farmers also resulted. Results showed also an interesting perspective on the possible universality of the Slow Food and Mother Earth values. Farmers declared that Slow Food is supporting them by preserving the biodiversity and orienting them to the use of local resources and reducing the chemical inputs. Many farmers mentioned the language/culture and administration/bureaucratic issues as an obstacle to be a member in the movement and to participate to the event. Participation to Mother Earth gives an opportunity to exchange information with other farmers’ communities and to participate to seminars and debates, helpful for their business development. The absolute majority of positive answers associated to the farmers’ willingness to relate to Slow Food and participate to the next Mother Earth editions negatively influenced the UTAUT model results. A factor analysis showed that the variables associated to the UTAUT model constructs Performance Expectancy and Effort Expectancy were consistent, able to explain the construct variability, and their measurement reliable. Their inclusion in a simplest Technology Acceptance Model could be considered in future researches.

Nanostructured Systems for Electrocatalysis of Reduction Reactions for Energy Conversion Applications

Oxygen Reduction Reaction (ORR) requires a platinum-based catalyst to reduce the activation barrier. One of the most promising materials as alternative catalysts are carbon-based, graphene and carbon nanotubes (CNT) derivatives. ORR on a carbon-based substrate involves the less efficient two electrons process and the optimal four electrons process. New synthetic strategies to produce tunable graphene-based materials utilizing graphene oxide (GO) as a base inspired the first part of this work. Hydrogen Evolution Reaction (HER) is a slow process requiring also platinum or palladium as catalyst. In the second part of this work, we develop and use a technique for Ni nanoparticles electrodeposition using NiCl2 as precursor in the presence of ascorbate ligands. Electrodeposition of nano-nickel onto flat glassy carbon (GC) and onto nitrogen-doped reduced graphene oxide (rGO-N) substrates are studied. State of the art catalysts for CO2RR requires rare metals rhenium or rhodium. In recent years significant research has been done on non-noble metals and molecular systems to use as electro and photo-catalysts (artificial photosynthesis). As Cu-Zn alloys show good CO2RR performance, here we applied the same nanoparticle electrosynthesis technique using as precursors CuCl2 and Cl2Zn and observed successful formation of the nanoparticles and a notable activity in presence of CO2. Using rhenium complexes as catalysts is another popular approach and di-nuclear complexes have a positive cooperative effect. More recently a growing family of pre-catalysts based on the earth-abundant metal manganese, has emerged as a promising, cheaper alternative. Here we study the cooperative effects of di-nuclear manganese complexes derivatives when used as homogeneous electrocatalysts, as well as a rhenium functionalized polymer used as heterogeneous electrocatalyst.