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.

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.

Caratterizzazione di scintillatori organici per la rivelazione di neutroni termici

La rivelazione dei neutroni gioca un ruolo fondamentale sia nel campo della fisica nucleare di base che in diversi ambiti applicativi quali la produzione di energia in reattori a fissione, la sicurezza nazionale alle frontiere, la terapia e la diagnostica mediche. Negli anni passati la rivelazione di neutroni di bassa energia (nell'intervallo termico) si è basata principalmente sull'utilizzo di contatori proporzionali a $^3$He. Il grosso vantaggio di questi strumenti è la loro quasi totale inefficienza nella rivelazione di radiazione elettromagnetica, consentendo una caratterizzazione pulita dei flussi neutronici di bassa energia, anche quando, come spesso succede, sono accompagnati da un intenso fondo di raggi X e raggi gamma. La scarsa disponibilità di $^3$He ed il conseguente incremento del suo costo hanno stimolato, negli ultimi anni, numerosi programmi di sviluppo di nuovi rivelatori per neutroni termici in grado di rimpiazzare i troppo costosi contatori a $^3$He. In questo contesto si sono sviluppati da una parte il progetto ORIONE/HYDE dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), che punta allo sviluppo di scintillatori organici a matrice siliconica in grado di rivelare sia neutroni veloci che termici, dall'altra l'applicazione di tali sviluppi ad attività connesse con il Progetto SPES nell'ambito del PRIN intitolato Sviluppo di Rivelatori e tecniche d'analisi per la sperimentazione con i fasci radioattivi dei Laboratori Nazionali dell'INFN, con particolare riferimento a SPES. All'interno di una matrice scintillante organica (ricca quindi di nuclei di Idrogeno e Carbonio) opportunamente drogata per favorire il processo di scintillazione, viene disperso un ulteriore dopante ad alta sezione d'urto di cattura neutronica (tipicamente $^{10}$B o $^6$Li). Questo scintillatore risulta sensibile alla radiazione neutronica veloce che viene rivelata tramite i processi di urto elastico ed il successivo rinculo dei nuclei che causa l'emissione di luce di scintillazione. Inoltre grazie alle grandi sezioni d'urto dei processi di cattura neutronica da parte del materiale dopante e la successiva emissione di particelle cariche anche la sensibilità ai neutroni di bassa energia (lenti e termici) viene garantita. La matrice utilizzata (polifenil-dimetil silossano) ha ottime proprietà meccaniche e, a differenza di altri materiali utilizzati per la realizzazione di scintillatori per neutroni, non risulta tossica o dannosa per l'ambiente. Inoltre il costo del materiale utilizzato è notevolmente competitivo rispetto alle alternative attualmente in commercio. In questo lavoro di tesi verranno caratterizzati alcuni di questi nuovi scintillatori drogati con $^6$Li. Verrà analizzata la loro risposta in termini di resa di luce quando esposti a flussi di particelle cariche e raggi gamma e a flussi neutronici di bassa energia. I risultati verranno paragonati a quelli ottenuti con uno scintillatore commerciale standard a matrice vetrosa.

Emissione non termica in ammassi di galassie in relazione con la massa del sistema

L'oggetto di studio di questa tesi e' l'analisi degli ammassi di galassie (galaxy clusters) e delle loro proprieta', attraverso un introduttiva analisi morfologica e dinamica, considerazioni sulle proprieta' termiche (con caratteristiche collegate direttamente dalla temperatura), ed infine l'ispezione dei meccanismi che generano le emissioni non termiche e le loro sorgenti. Cercheremo delle relazioni fra le une e le altre. In particolare studieremo specifiche conformazioni del mezzo intergalattico (ICM, intracluster medium) all'interno degli ammassi, quali Aloni, Relitti e Mini Aloni, attraverso le radiazioni che essi sprigionano nella banda dei raggi X e onde radio. Le prime osservazioni sugli ammassi di galassie sono state effettuate gia' alla fine del '700 da Charles Messier, che, al fine di esaminare il cielo alla ricerca di comete, forni un catalogo di 110 oggetti cosmici che, pur apparendo nebulosi per via della limitatezza di risoluzione dei telescopi di allora, non erano sicuramente comete. Fra questi oggetti vi erano anche ammassi di galassie. I primi studi approfonditi si ebbero soltanto con il rapido incremento tecnologico del XX secolo che permise di capire che quelle formazioni confuse altro non erano che agglomerati di galassie. Telescopi piu' grandi, e poi interferometri, radiotelescopi osservazioni agli X hanno sostanzialmente aperto il mondo dell'astrofisica. In particolare Abell stabili' nel primo dopoguerra il primo catalogo di ammassi su determinazione morfologica. Altri astronomi ampliarono poi i parametri di classificazione basandosi su caratteristiche ottiche e meccaniche. Le analisi piu' recenti infine basano le loro conclusioni sullo studio delle bande non ottiche dello spettro, principalmente i raggi X e onde Radio.

Vincoli sulla storia di espansione dell’Universo tramite cronometri cosmici nella survey VANDELS

Nel presente lavoro di tesi viene selezionato e analizzato un campione di galassie passive estratte dalla survey VANDELS, con cui condurre uno studio cosmologico basato sul metodo dei cronometri cosmici. Tale metodo rappresenta una sonda cosmologica non standard, che consente di misurare il parametro di Hubble in maniera indipendente dalla cosmologia valutando l’invecchiamento di una popolazione di galassie molto massive e in evoluzione passiva in un dato intervallo di redshift. Per applicare il metodo viene selezionato un campione di cronometri cosmici incrociando diversi criteri complementari, sia fotometrici che spettroscopici, tali da minimizzare la contaminazione da formazione stellare attiva. Il campione ottenuto ha ⟨log(M⋆/M⊙)⟩=10.86±0.03, ⟨log(sSFR/yr−1)⟩=-11.9±0.1 e ⟨EW[OII]⟩=3.3±0.2 Å. Dallo studio delle proprietà spettroscopiche, in particolare degli indici sensibili all’età, esso mostra un progressivo invecchiamento al diminuire del redshift ed evidenza di mass-downsizing. Per la stima delle età si adotta la tecnica del full-spectral fitting, sia sugli spettri che sulla fotometria disponibili, utilizzando il codice Bagpipes. Dai risultati del fit emerge che le galassie individuate hanno, come atteso, metallicità mediamente sotto-solari (⟨Z/Z⊙⟩=0.44±0.01), bassa estinzione da polvere (⟨AV,dust⟩=0.43±0.02 mag) e una fase di formazione stellare breve (⟨τ⟩=0.28±0.02 Gyr). A partire da questi viene costruita la relazione età-redshift mediana per il campione finale di 39 galassie, esplorandone la robustezza con diverse assunzioni di prior e binnaggio. Fittata con un modello fΛCDM, essa permette di ricavare una stima per la costante di Hubble pari a H0 = 67^+14_−15 km/s/Mpc. Infine, con la stessa relazione si applica il metodo dei cronometri cosmici, ottenendo una nuova stima del parametro di Hubble, H(z=1.26) = 135±62 km/s/Mpc. Nell’errore si è tenuto conto anche degli effetti sistematici introdotti dalla scelta del binning e della SFH nel modello di fit.

Modellazione e analisi di ponti ad arco in muratura: il caso del ponte di Bagno di Piano

La Tesi tratta della modellazione e dell'analisi di ponti ad arco in muratura. In particolare è stato studiato il caso del vecchio ponte di Bagno di Piano, sito al km 14 della S.P. 18 "Palludese" in comune di Sala Bolognese in Provincia di Bologna. L’obiettivo della Tesi di Laurea è duplice, nel senso che da un lato si cerca di risalire alle probabili cause del crollo e, dall’altra si intende mettere a punto un quadro operativo per l’analisi strutturale di ponti ad arco in muratura.

Strumenti per la valutazione dello stato conservativo e per la manutenzione programmata dei ponti della Provincia di Bologna

La tesi tratta di strumenti finalizzati alla valutazione dello stato conservativo e di supporto all'attività di manutenzione dei ponti, dai più generali Bridge Management Systems ai Sistemi di Valutazione Numerica della Condizione strutturale. Viene proposto uno strumento originale con cui classificare i ponti attraverso un Indice di Valutazione Complessiva e grazie ad esso stabilire le priorità d'intervento. Si tara lo strumento sul caso pratico di alcuni ponti della Provincia di Bologna. Su un ponte in particolare viene realizzato un approfondimento specifico sulla determinazione approssimata dei periodi propri delle strutture da ponte. Si effettua un confronto dei risultati di alcune modellazioni semplificate in riferimento a modellazioni dettagliate e risultati sperimentali.

Caratterizzazione e calibrazione dei fotomoltiplicatori del sistema di veto di muoni per l'esperimento xenon1t

Alcune osservazioni sperimentali portano ad affermare che la maggior parte della massa dell'universo è costituita da un tipo di materia definita oscura, cioè materia che interagisce solo gravitazionalmente e debolmente. I candidati più promettenti sono tipicamente identificati con le WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). L'esperimento XENON1T per la rivelazione di materia oscura, in fase di costruzione nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sfrutta uno spessore di 1.4 km di roccia schermante. Il rivelatore è una Time Projection Chamber contenente circa 2 tonnellate di xeno e avrà sensibilità per sezioni d’urto WIMP-nucleo spin-indipendent pari a circa 2x10-47 cm2 (per WIMP di massa 50 GeV/c2), due ordini di grandezza al di sotto degli attuali limiti. Per raggiungere tale sensibilità la TPC sarà inserita in una tank cilindrica riempita di acqua ultrapura, che fungerà sia da schermo passivo contro la radiazione esterna (gamma e neutroni di bassa energia), sia da veto per i muoni cosmici. I muoni possono infatti produrre neutroni di energia tale da raggiungere la TPC e simulare segnali tipici delle WIMP. Essi sono identificati per via della radiazione Cherenkov, emessa in seguito al loro passaggio in acqua, rivelata per mezzo di 84 fotomoltiplicatori (PMT) 8'' Hamamatsu R5912ASSY HQE. Lo studio delle prestazioni e delle caratteristiche dei PMT utilizzati nel sistema di veto di muoni sono lo scopo di questo lavoro di tesi. In particolare è stato preparato un opportuno setup per i test dei fotomoltiplicatori e sono state effettuate misure di guadagno, dark rate ed afterpulse. In una prima fase sono stati testati in aria 50 PMT presso la Sezione INFN di Bologna, nel periodo compreso tra Novembre 2012 e Marzo 2013 ed in una seconda fase sono stati testati in acqua 90 PMT presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, nel periodo compreso tra Aprile e Settembre 2013.

Attivita' non-termica nel nucleo della radiogalassia 3c84

La maggior parte dei corpi celesti che popolano l’universo emette “luce”. Ciò significa che essi sono visibili dai nostri occhi quando li alziamo sul cielo notturno o al limite, se troppo lontani, da potenti telescopi ottici. Questa luminosità ha nella maggior parte dei casi un’origine termonucleare, dovuta cioè alla presenza di sorgenti come le stelle, in cui l’elevata temperatura interna legata alle reazioni di fusione che le mantengono in vita produce una radiazione di corpo nero in banda ottica. Tuttavia, dato che la parte visibile costituisce solo una minuscola porzione dell’intero spettro elettromagnetico, andando ad indagare emissioni a differenti frequenze come il radio, l’infrarosso, l’ultravioletto, X e gamma, si rileva la presenza un’altra categoria di oggetti dalle caratteristiche peculiari che li rendono un affascinante campo di studio per molteplici ragioni: i Nuclei Galattici Attivi (AGN) (figura 1). Sono abbastanza rari (costituiscono meno dell’1% del totale rispetto alle normali galassie) e dalla vita breve, spesso molto lontani e potenti, ferventi di un’intensa attività che sembra crescere col redshift; si ipotizza perciò che siano giovani e che ci aprano una finestra sul momento successivo al collasso iniziale proprio della vita di ogni galassia, rivelandosi fondamentali per elaborare eventuali teorie cosmologiche. Inoltre, sebbene spesso ospiti di galassie visibili anche in ottico, i loro meccanismi di emissione e gli speciali comportamenti necessitano di analisi e spiegazioni totalmente differenti. Particolare è anche il metodo di rilevamento: per coprire infatti queste determinate frequenze è stata sviluppata una tecnica innovativa capace di dare ottimi risultati, perfino migliori di quelli dei telescopi tradizionali, l’interferometria radio. La tesi si divide in due parti: la prima delinea un ritratto degli AGN, la seconda analizza il flusso proveniente dalla radiogalassia 3C 84 a 15.4 e 43 GHz e ipotizza un possibile sito di origine dell’aumento di brillanza osservato.

Studio mediante spettroscopia di assorbimento di raggi x con luce di sincrotrone di cluster di argento su ceria

si vuole studiare la struttura atomica di cluster di argento su ceria, si è utilizzata la spettroscopia di assorbimento di raggi x con luce di sincrotrone. Le misure sono state effettuate all'Esrf di Grenoble e si sono analizzati gli spettri EXAFS di diversi spessori equivalenti di argento (1.5Å , 0.7Å, 0.2Å, 0.1Å). Si tratta il processo di produzione della luce di sincrotrone e le sue proprietà caratteristiche. In particolare si descrive la strumentazione ottica utilizzata: specchi riflettenti per raggi X e monocromatore con geometria a doppio cristallo.

Sviluppo di un sistema tomografico con tubo a raggi x da 300 kv: progettazione e test preliminari.

In questo elaborato sono descritti la progettazione e lo sviluppo di un sistema tomografico con sorgente di raggi X da 300 kV per analisi nel campo dei Beni Culturali; in particolare sono stati effettuati test preliminari sia per verificare le prestazioni del tubo a raggi X e dello schermo scintillatore sia per avere indicazioni utili alla progettazione (e conseguente costruzione) del box di rivelazione. Il collaudo della sorgente di raggi X è stato eseguito con lo studio dell'andamento della dose integrale e/o del rateo di dose in funzione della tensione, della corrente e del tempo d'irraggiamento. La caratterizzazione dello schermo scintillatore di CsI(Tl) è basata sul confronto delle sue caratteristiche con uno schermo analogo di spessore differente nelle stesse condizioni sperimentali, attraverso lo studio dei parametri standard dei dispositivi per imaging, quali la curva di risposta, il rapporto segnale-rumore e la risoluzione spaziale. Inoltre, come ulteriore test, lo schermo scintillatore è stato utilizzato per l’indagine tomografica di alcuni pani di terra contenenti olle di epoca villanoviana. Per la progettazione del box rivelatore sono state invece svolte misure di tipo ottico. I vari test svolti in laboratorio hanno dato risultati positivi e hanno dimostrato la validità dei componenti scelti per il nuovo sistema tomografico, il cui assemblaggio verrà completato a breve, essendo stata ultimata proprio in queste settimane la costruzione del box di rivelazione.