Studio delle dinamiche antropiche in prossimità di invasi a fini acquedottistici nel territorio degli Stati Uniti d'America

I grandi invasi artificiali e le opere idrauliche ad essi connesse rappresentano al giorno d’oggi una delle principali fonti di approvvigionamento idrico. Nel corso degli ultimi decenni, sono stati oggetto di discussione riguardo le problematiche che comportano nei territori in cui sono localizzati, legate soprattutto allo spopolamento e alla delocalizzazione delle attività antropiche nelle zone immediatamente limitrofe all’opera. Un'altra tematica sempre più discussa negli ultimi tempi è la distribuzione della risorsa idrica immagazzinata in tali invasi, e i diversi effetti sulle dinamiche antropiche che tali opere causano nelle zone a monte e a valle di esse. L’obiettivo dello studio, svolto su una popolazione di 313 dighe ad utilizzo acquedottistico localizzate negli Stati Uniti d’America, è stimare tali effetti, attraverso un’analisi comparativa dell’evoluzione spazio-temporale della densità abitativa nelle due unità territoriali considerate (zone poste a monte e a valle della diga) e verificare se le dighe possono quindi essere considerate o meno degli attrattori di popolazione. L’analisi ha previsto l’individuazione delle zone di monte e di valle attraverso una suddivisione del territorio statunitense in sottobacini, tra i quali sono stati selezionati quelli prossimi alle dighe prese in considerazione. Attraverso l’applicazione di un modello di regressione lineare, si è poi stimato l’andamento della densità di popolazione nei suddetti territori attraverso il calcolo della pendenza della retta di regressione lineare. Dai risultati emerge che complessivamente le dighe incidono positivamente sul trend di crescita di popolazione in entrambe le unità territoriali considerate, con un beneficio apportato più evidente nelle zone poste a monte di esse.

Uno studio della massima energia raggiungibile da nuove classi di acceleratori cosmici

I raggi cosmici sono particelle energetiche provenienti dallo spazio esterno, alle quali è esposto qualunque corpo celeste dell’Universo. Possono essere leptoni, mesoni, barioni o loro stati aggregati, ad un energia che spazia diversi ordini di grandezza rendendo così la loro natura e la loro origine complessa da studiare. Risulta interessante la massima energia che essi possono avere, ma non risulta semplice studiare come riescono a raggiungerla. Una classe di raggi cosmici sui quali le informazioni sono ancora scarse sono gli ultra high energy cosmic rays (UHECRs), ovvero i raggi cosmici con un’energia superiore a 1e18 eV. Oltre ad essere molto raro rilevarli, non si `e nemmeno a conoscenza da cosa possano essere originati. In questo testo verrà spiegato come un raggio cosmico può accrescere la sua energia e verrà stimato se tre potenziali sorgenti possano o meno generare raggi cosmici ad altissima energia. Si osserva che i tre candidati, ovvero i filamenti cosmici, il ponte intracluster tra Abell 0399 e Abell 0401 e la radiogalassia gigante Alcioneo, non soddisfano le caratteristiche per essere la fonte di UHECRs ad altissima energia, potendo al più raggiungere energie di 3.5e19 eV, a patto che i raggi cosmici siano composti da nuclei di ferro.

La radiazione di sincrotrone nelle pulsar

La radiazione di sincrotrone è il processo di radiazione più comune nella astrofisica delle alte energie in presenza di elettroni ultrarelativistici in moto in un campo magnetico. Sono attribuibili a questo processo le radio emissioni dei raggi cosmici (elettroni e positroni) della nostra galassia, dei resti di supernovae e delle sorgenti radio extragalattiche. In particolare, questa trattazione si soffermerà sullo studio dell’emissione tramite radiazione di sincrotrone da parte delle pulsar, stelle di neutroni in rapida rotazione e dotate di un campo magnetico, che ad intervalli estremamente regolari (periodo di rotazione) emettono radiazione coerente in regioni coniche allineate con l’asse magnetico, sotto forma di impulsi, secondo un processo che viene denominato ”effetto faro”.

Caratteristiche principali dell'emissione di galassie ellittiche

Le galassie sono gli elementi fondamentali dell’Universo: alcune hanno una struttura abbastanza semplice, altre, invece, sono sistemi complessi costituiti prevalentemente da stelle, nubi di gas e polveri. Protagoniste di questo elaborato sono le galassie ellittiche che verranno analizzate dapprima dal punto di vista morfologico, introducendo brevemente la sequenza proposta da Hubble per la classificazione di tutte le galassie, per poi passare ad una analisi di tipo fotometrico attraverso le leggi fondamentali che valgono per le galassie ellittiche. Infine, nell’ultimo capitolo, che rappresenta l’anima di questo testo, si tratteranno i principali meccanismi che partecipano all’ emissione della radiazione elettromagnetica nella banda ottica, X e radio.

Analisi delle performance di sistemi di Mixed Reality cooperativi in rete locale

Siamo sempre stati abituati fin dal principio ad interagire con l’ambiente che ci circonda, utilizzando gli oggetti fisici presenti attorno a noi per soddisfare le nostre esigenze, ma se esistesse di più di questo? Se fosse possibile avere attorno a noi oggetti che non sono propriamente corpi fisici, ma che hanno un comportamento coerente con l’ambiente circostante e non venisse percepita la differenza tra essi e un vero e proprio oggetto? Ci si sta riferendo a quella che oggi viene chiamata Mixed Reality, una realtà mista resa visibile tramite appositi dispositivi, in cui è possibile interagire contemporaneamente con oggetti fisici e oggetti digitali che vengono chiamati ologrammi. Un aspetto fondamentale che riguarda questa tipologia di sistemi è sicuramente la collaborazione. In questa tesi viene esaminato il panorama delle tecnologie allo stato dell'arte che permettono di vivere esperienze di Collaborative Mixed Reality, ma soprattutto ci si concentra sulla progettazione di una vera e propria architettura in rete locale che consenta la realizzazione di un sistema condiviso. Successivamente all'applicazione di varie strategie vengono valutati i risultati ottenuti da rigorose misurazioni, per determinare scientificamente le prestazioni dell'architettura progettata e poter trarre delle conclusioni, considerando analogie e differenze rispetto ad altre possibili soluzioni.

Development and Automatization of a Planar Jet Wind Tunnel for the X-wire Calibration

The scope of this study is to design an automatic control system and create an automatic x-wire calibrator for a facility named Plane Air Tunnel; whose exit creates planar jet flow. The controlling power state as well as automatic speed adjustment of the inverter has been achieved. Thus, the wind tunnel can be run with respect to any desired speed and the x-wire can automatically be calibrated at that speed. To achieve that, VI programming using the LabView environment was learned, to acquire the pressure and temperature, and to calculate the velocity based on the acquisition data thanks to a pitot-static tube. Furthermore, communication with the inverter to give the commands for power on/off and speed control was also done using the LabView VI coding environment. The connection of the computer to the inverter was achieved by the proper cabling using DAQmx Analog/Digital (A/D) input/output (I/O). Moreover, the pressure profile along the streamwise direction of the plane air tunnel was studied. Pressure tappings and a multichannel pressure scanner were used to acquire the pressure values at different locations. Thanks to that, the aerodynamic efficiency of the contraction ratio was observed, and the pressure behavior was related to the velocity at the exit section. Furthermore, the control of the speed was accomplished by implementing a closed-loop PI controller on the LabView environment with and without using a pitot-static tube thanks to the pressure behavior information. The responses of the two controllers were analyzed and commented on by giving suggestions. In addition, hot wire experiments were performed to calibrate automatically and investigate the velocity profile of a turbulent planar jet. To be able to analyze the results, the physics of turbulent planar jet flow was studied. The fundamental terms, the methods used in the derivation of the equations, velocity profile, shear stress behavior, and the effect of vorticity were reviewed.

Discriminazione n/γ tramite l'analisi della forma dell'impulso di uno scintillatore di stilbene deuterato

Nel corso degli ultimi decenni sono stati eseguiti diversi esperimenti volti alla misura della lunghezza di scattering neutrone-neutrone, ma alcuni risultati si sono rivelati discordanti e ad oggi essa è ancora nota con insufficiente precisione, a causa della complessità del problema sia dal punto di vista teorico che sperimentale. Una migliore conoscenza di questa grandezza può fornire importanti informazioni sulla natura dei nucleoni e sulle loro interazioni. È stato quindi proposto un esperimento volto alla misura della lunghezza di scattering neutrone-neutrone al CERN di Ginevra, presso la facility n_TOF, sfruttando gli aggiornamenti apportati alle aree sperimentali e alla sorgente di neutroni negli ultimi anni. L'esperimento prevede di utilizzare la reazione di breakup del deuterio tramite l'impiego di un target attivo, composto da un bersaglio di stilbene deuterato (stilbene-d12) che funge anche da materiale scintillatore. Per verificare la fattibilità dell'esperimento sono stati eseguiti dei test preliminari presso la facility del National Center for Scientific Research (NCSR) Demokritos, irradiando il target attivo con neutroni e raggi γ a diverse energie e utilizzando due tipi diversi di sensori fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) nel sistema di rivelazione. In questa tesi sono stati analizzati dei segnali provenienti da questi test, valutando la possibilità di eseguire discriminazione n/γ sfruttando la tecnica della Pulse Shape Discrimination (PSD).

Studio degli eventi di muone nell'esperimento XENONnT

La Materia Oscura (Dark Matter, DM) deve il suo nome al fatto che non interagisce elettromagneticamente, ma solo gravitazionalmente e debolmente (proprietà che ne complica particolarmente la rivelazione). Molti sforzi, sia sperimentali che teorici, sono stati dedicati alla sua ricerca a tal punto da essere considerata uno dei più grandi misteri della fisica moderna. I candidati più promettenti a costituire la materia oscura sono da ricercarsi in teorie oltre il Modello Standard e fra essi figurano le WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Poiché le particelle di DM sono caratterizzate da sezioni d’urto molto piccole, per poterle osservare si necessita di grandi rivelatori, ultrapuri e situati in ambienti a bassa radioattività. XENONnT è attualmente uno degli esperimenti più sensibili al mondo per la ricerca diretta di WIMPs, grazie all’utilizzo di una camera di proiezione temporale (TPC) a doppia fase (liquido-gas) che presenta una massa bersaglio di 5.9 t di xenon liquido (LXe). XENONnT mira a rilevare lo scattering di WIMPs contro i nuclei bersaglio, sfruttando i segnali osservabili di luce e carica prodotti dai rinculi nel LXe. Per raggiungere tale risultato sono fondamentali il sistema di veto di neutroni (Neutron Veto, NV) ed il sistema di veto di muoni (Muon Veto, MV): il NV ha lo scopo di rivelare i neutroni radiogenici provenienti dai materiali dell’esperimento mentre il MV (già impiegato in XENON1T) ha la finalità di eliminare il rumore di fondo dovuto ai raggi cosmici. L'obiettivo di questa tesi è lo studio degli eventi muone osservati dal MV ed il NV di XENONnT; misurarne il rate e verificare la congruenza dei risultati ottenuti con quanto atteso da simulazioni Monte Carlo. Questa prova ha costituito un'ulteriore verifica del corretto funzionamento dei sistemi di veto, ed ha permesso di approfondire la conoscenza sulla risposta del Neutron Veto al passaggio di un muone all’interno del suo volume attivo.

Characterization of in-gap electronic states in two-dimensional single crystal PEA2PbBr4 perovskite for X-ray detection

Hybrid Organic-Inorganic Halide Perovskites (HOIPs) include a large class of materials described with the general formula ABX3, where A is an organic cation, B an inorganic cation and X an halide anion. HOIPs show excellent optoelectronic characteristics such as tunable band gap, high adsorption coefficient and great mobility life-time. A subclass of these materials, the so-called two- dimensional (2D) layered HOIPs, have emerged as potential alternatives to traditional 3D analogs to enhance the stability and increase performance of perovskite devices, with particular regard in the area of ionizing radiation detectors, where these materials have reached truly remarkable milestones. One of the key challenges for future development of efficient and stable 2D perovskite X-ray detector is a complete understanding of the nature of defects that lead to the formation of deep states. Deep states act as non-radiative recombination centers for charge carriers and are one of the factors that most hinder the development of efficient 2D HOIPs-based X-ray detectors. In this work, deep states in PEA2PbBr4 were studied through Photo-Induced Current Transient Spectroscopy (PICTS), a highly sensitive spectroscopic technique capable of detecting the presence of deep states in highly resistive ohmic materials, and characterizing their activation energy, capture cross section and, under stringent conditions, the concentration of these states. The evolution of deep states in PEA 2 PbBr 4 was evaluated after exposure of the material to high doses of ionizing radiation and during aging (one year). The data obtained allowed us to evaluate the contribution of ion migration in PEA2PbBr4. This work represents an important starting point for a better understanding of transport and recombination phenomena in 2D perovskites. To date, the PICTS technique applied to 2D perovskites has not yet been reported in the scientific literature.

Exploration of X-ray, optical and radio emission of the radio-galaxy 3C 277.3

This thesis explores the X-ray nuclear and extended properties of the radio galaxy 3C 277.3, where a recent optical observation performed with the multi-unit spectroscopic explorer (MUSE) has revealed star-forming regions triggered by the propagation of non-thermal plasma in the intergalactic medium. This work aims to study the nuclear engine and its environment and, possibly, discover signatures of non-thermal plasma-gas interaction at high energies. 3C 277.3 was observed with the Chandra satellite five times from 2010 to 2014 for a total of about 200 ks. Data in the Chandra public archive were retrieved and analyzed. When necessary, the different pointings were combined to improve the signal-to-noise ratio. A detailed analysis of the Chandra image (obtained by combining all the observations) has revealed several emission regions. In addition to a bright nucleus, two jet knots and the northern hot spot were clearly detected by overlapping the X-ray data to a VLA map of the source at 1.4 GHz. An X-ray spectral analysis was performed for all these structures. Finally, the X-ray image was over-imposed on the MUSE data.

Le tecniche di irradiazione corporea totale per il trattamento della leucemia linfoblastica acuta

La radioterapia è una terapia medica molto utilizzata in campo oncologico. I diversi tipi di radiazione e di tecniche permettono di trattare, con diversi fini, una vasta gamma di neoplasie. Secondo i dati dell’AIRO, l’Associazione Italiana di Radioterapia e Oncologia clinica, nel 2020 sono stati trattati con la radioterapia circa 100mila pazienti in Italia, che conta 183 centri di radioterapia tra pubblici e privati, cioè circa 3 centri per milione di abitanti. La Società Europea di Radioterapia Oncologica, basandosi sullo studio ESTRO-HERO del 2014, suggerisce come parametro di confronto a livello nazionale o internazionale il numero di apparecchiature di radioterapia per milione di abitanti, e le Direttive Europee ne raccomandano un valore minimo di 7 unità. In questo elaborato, espongo l’evoluzione della radioterapia tramite la presentazione delle sue diverse tipologie, per poi concentrarmi sulla irradiazione corporea totale (Total Body Irradiation – TBI) nel caso studio della leucemia linfoblastica acuta (LLA). Il Capitolo 1 introduce la radioterapia e la sua principale suddivisione in esterna e interna, con i relativi sottogruppi. Viene poi spiegato come si valuta il volume bersaglio e vengono presentati il personale e le fasi del trattamento. Il Capitolo 2 introduce alla leucemia e alla LLA. Viene poi spiegato il trattamento di trapianto e quello di condizionamento. Infine, espongo la tecnica della TBI, le sue prestazioni ed i suoi limiti. Nelle conclusioni e future direzioni, valuto il problema della tossicità ed espongo le principali evoluzioni nell’uso della TBI.

Il modello di oscillatore armonico come caso di studio per mostrare il ruolo della matematica nella fisica: anchor equations ed epistemic games come strumenti di analisi di libri di testo e tutorial

Nel modo in cui oggigiorno viene intrapresa la ricerca, l’interdisciplinarità assume una posizione di sempre maggior rilievo in pressoché ogni ambito del sapere. Questo è particolarmente evidente nel campo delle discipline STEM (Scienza, Tecnologia, Ingegneria, Matematica), considerando che i problemi a cui esse fanno fronte (si pensi agli studi sul cambiamento climatico o agli avanzamenti nel campo dell’intelligenza artificiale) richiedono la collaborazione ed integrazione di discipline diverse. Anche nella ricerca educativa, l’interdisciplinarità ha acquisito negli ultimi anni una notevole rilevanza ed è stata oggetto di riflessioni teoriche e di valutazioni sulle pratiche didattiche. Nell’ampio contesto di questo dibattito, questa tesi si focalizza sull’analisi dell’interdisciplinarità tra fisica e matematica, ma ancora più nel dettaglio sul ruolo che la matematica ha nei modelli fisici. L’aspetto che si vuole sottolineare è l’esigenza di superare una concezione banale e semplicistica, sebbene diffusa, per la quale la matematica avrebbe una funzione strumentale rispetto alla fisica, a favore invece di una riflessione che metta in luce il ruolo strutturale della formalizzazione matematica per l’avanzamento della conoscenza in fisica. Per fare ciò, si prende in esame il caso di studio dell’oscillatore armonico attraverso due lenti diverse che mettono in luce altrettanti temi. La prima, quella dell’anchor equation, aiuterà a cogliere gli aspetti fondamentali del ruolo strutturale della matematica nella modellizzazione dell’oscillatore armonico. La seconda, quella degli epistemic games, verrà utilizzata per indagare materiale didattico, libri di testo e tutorial, per comprendere come diverse tipologie di risorse possano condurre gli studenti ad intendere in modi diversi la relazione di interdisciplinarità tra fisica e matematica in questo contesto.

Gli integrali di cammino

Normalmente la meccanica quantistica non relativistica è ricavata a partire dal fatto che una particella al tempo t non può essere descritta da una posizione $x$ definita, ma piuttosto è descritta da una funzione, chiamata funzione d'onda, per cui vale l'equazione differenziale di Schr\"odinger, e il cui modulo quadro in $x$ viene interpretato come la probabilità di rilevare la particella in tale posizione. Quindi grazie all'equazione di Schr\"odinger si studia la dinamica della funzione d'onda, la sua evoluzione temporale. Seguendo quest'approccio bisogna quindi abbandonare il concetto classico di traiettoria di una particella, piuttosto quello che si studia è la "traiettoria" della funzione d'onda nei vari casi di campi di forze che agiscono sulla particella. In questa tesi si è invece scelto di studiare un approccio diverso, ma anch'esso efficace nel descrivere i fenomeni della meccanica quantistica non relativistica, formulato per la prima volta negli anni '50 del secolo scorso dal dott. Richard P. Feynman. Tale approccio consiste nel considerare una particella rilevata in posizione $x_a$ nell'istante $t_a$, e studiarne la probabilità che questa ha, nelle varie configurazioni dei campi di forze in azione, di giungere alla posizione $x_b$ ad un successivo istante $t_b$. Per farlo si associa ad ogni percorso che congiunge questi due punti spazio-temporali $a$ e $b$ una quantità chiamata ampiezza di probabilità del percorso, e si sviluppa una tecnica che permette di sommare le ampiezze relative a tutti gli infiniti cammini possibili che portano da $a$ a $b$, ovvero si integra su tutte le traiettorie $x(t)$, questo tipo di integrale viene chiamato integrale di cammino o più comunemente path integral. Il modulo quadro di tale quantità darà la probabilità che la particella rilevata in $a$ verrà poi rilevata in $b$.

Emissione di sincrotrone e applicazioni astrofisiche

Nel 1932 l'ingegnere e fisico Karl Jansky progettò un’antenna in grado di rilevare onde radio alla frequenza di 20.5 MHz, con la quale notò un'emissione diffusa che proveniva da ogni zona del cielo e si intensificava verso la costellazione del Sagittario. Oggi sappiamo che quella osservata da Jansky è radiazione di sincrotrone. Il meccanismo di emissione di sincrotrone affonda le sue radici nelle leggi dell'elettromagnetismo: quando una particella carica attraversa una regione di spazio in cui è presente un campo magnetico, viene accelerata dalla forza di Lorentz e comincia ad irraggiare in virtù dell'accelerazione subita, come previsto dalla formula di Larmor. A seconda che il moto avvenga a velocità non relativistiche, relativistiche o ultrarelativistiche, l’emissione è chiamata rispettivamente radiazione di ciclotrone, ciclotrone relativistico e sincrotrone. L’emissione diffusa osservata da Jansky, allora, può essere interpretata come radiazione di sincrotrone prodotta dall’interazione delle particelle ultrarelativistiche dei raggi cosmici con il campo magnetico che permea la Via Lattea, mentre l’emissione più intensa nel Sagittario è oggi identificata con la radiosorgente Sagittarius A*, localizzata in corrispondenza del buco nero supermassiccio al centro della Galassia. L’emissione di sincrotrone rappresenta uno dei processi di emissione più rilevanti in Astrofisica ed è in grado di spiegare l’origine di gran parte della radiazione osservata nella banda radio, tanto di quella diffusa quanto di quella generata da radiosorgenti individuali, come radiogalassie e resti di supernova. Le proprietà e la peculiare distribuzione spettrale della radiazione di sincrotrone consentono di ricavare una serie di informazioni sulla sorgente da cui è stata emessa. Per via dello stretto legame con il campo magnetico, inoltre, la radiazione di questo tipo è uno strumento d’indagine fondamentale per la ricostruzione del campo magnetico galattico ed extragalattico.