Processi di appropriazione nello studio della fisica quantistica: analisi di una sperimentazione didattica in una quinta liceo scientifico

In questa tesi sono stati analizzati i dati raccolti nella sperimentazione di un percorso di fisica quantistica in una quinta liceo scientifico – indirizzo musicale, svolta nel periodo Marzo-Giugno 2015. Il percorso, progettato dai ricercatori in Didattica della Fisica del DIFA di Bologna, comprende una parte “genuinamente” quantistica sviluppata a partire dall’“Esperimento più bello della Fisica”. Il percorso è stato progettato sulla base dei criteri che definiscono l’appropriazione, costrutto che esprime un particolare tipo di apprendimento attraverso cui lo studente “fa proprio” un concetto. L’analisi è stata condotta con l’obiettivo di osservare casi di appropriazione tra gli studenti e di rifinire il costrutto di appropriazione, valutando in particolare l’efficacia del questionario sociometrico, uno strumento appositamente progettato dall’autore di questa tesi per valutare una delle dimensioni di cui si compone il costrutto di appropriazione. I principali dati analizzati per dare risposta agli obiettivi della tesi riguardano le risposte degli studenti a interviste realizzate alla fine del percorso scolastico, nonché gli esiti di altre attività appositamente progettate: svolgimento di un compito in classe, elaborazione di un tema scientifico, compilazione di questionari. I risultati mostrano come si siano ritrovati tre punti molto delicati che possono ostacolare l’appropriazione: il tempo a disposizione, le dinamiche di classe e soprattutto il rapporto che hanno avuto gli studenti con i concetti quantistici del percorso. Tali fattori hanno portato reazioni molto diverse: chi è stato stimolato e questo ha favorito l’appropriazione, chi ha compreso la fisica quantistica ma non l’ha accettata, chi l’ha compresa e accettata senza troppi problemi, chi si è rifiutato di studiarla perché “troppo grande per sé”.

Measurement of tt ̄production cross section at 13 TeV in the fully-hadronic channel with CMS

Lo scopo di questa tesi è la misura di sezione d’urto di produzione di coppie top-antitop nel canale adronico. Per la misura sono stati utilizzati i dati raccolti dall’esperimento CMS in collisioni protone-protone ad LHC, con un’energia nel centro di massa pari a 13 TeV. Il campione di dati utilizzato corrisponde ad una luminosità integrata di 2.474 f b^ −1 . L’analisi dati inizia selezionando gli eventi che soddisfano determinate condizioni (e.g. trigger, tagli cinematici, sei o più jet, almeno 2 jet provenienti dall’adronizzazione di due quark bottom) con lo scopo di incrementare la purezza del segnale scartando il più possibile gli eventi di fondo. A seguire, viene ricostruita la massa del quark top usando un fit cinematico. Sulle distribuzioni di tale massa si basa la stima degli eventi di fondo e di segnale. Infine, attraverso un fit di verosimiglianza, si ottiene il valore della sezione d’urto: σ t t ̄ = 893 ± 57 (stat) ± 104 (syst) pb. Questo risultato è in buon accordo con il valore teorico di 832 pb e con altre misure di CMS effettuate in canali differenti.

Controllo della misura della luminosità con il canale Z -> mu+mu- in ATLAS

La misura della sezione d'urto di processi fisici prodotti negli urti fra protoni ad LHC è uno dei settori più importanti della ricerca in corso, sia per verificare le predizioni del Modello Standard, che per la ricerca di nuova fisica. La precisione necessaria per distinguere fenomeni standard e non, richiede un ottimo controllo delle incertezze sistematiche. Fra le sorgenti di errore sistematico, di particolare importanza sono quelle sulla misura della luminosità, che rappresenta il fattore di normalizzazione necessario per la misura di qualsiasi sezione d'urto. Ogni esperimento che si proponga misure di questo genere è quindi dotato di monitor di luminosità dedicati. In questa tesi sono presentate le tecniche di misura della luminosità ad ATLAS utilizzando i rivelatori dedicati e le problematiche incontrate nel corso della presa dati del 2012, sia per quanto riguarda la loro procedura di calibrazione assoluta, che per la loro stabilità in funzione del tempo e linearità di risposta, e vengono fornite le incertezze sistematiche dipendenti dal loro confronto. Per meglio comprendere tali risultati, si è studiato il canale di produzione del bosone Z nelle interazioni protone-protone, all'energia nel centro di massa s = √8 TeV mediante il suo decadimento in due muoni, utilizzando i dati acquisiti nel corso del 2012 Nel primo capitolo vengono definiti i concetti di luminosità istantanea ed integrata, sia dalla prospettiva del collider che le fornisce, che dal punto di vista delle analisi di fisica, quale quella svolta in questa tesi. Nel secondo capitolo viene descritto l'insieme dei rivelatori utilizzati da ATLAS per la misura della luminosità e i risultati ottenuti mediante il loro confronto in termini di incertezze sistematiche. Nel terzo capitolo viene infine presentata la misura della sezione d'urto di produzione del bosone Z e l'utilizzo di tale misura per il controllo della stabilità nel tempo e della linearità della misura sperimentale della luminosità.

Fisica dell'accrescimento

Questo elaborato presenta una descrizione del fenomeno dell’accrescimento di materia su oggetti compatti, esponendo i principali modelli fisici a riguardo. Dopo un’introduzione, in cui viene mostrato come l’accrescimento rappresenti la più importante fonte di energia in astrofisica, si discute nel capitolo 1 il più semplice modello di accresci- mento, dovuto ad Hermann Bondi (1952). Tale modello, proprio per la sua semplicità, risulta molto importante, nonostante trascuri importanti aspetti fisici. Nel capitolo 2 si studia la fisica dei dischi di accrescimento, analizzando sia il caso generale che alcuni casi particolari, come quello stazionario o a viscosità costante. L’elaborato si conclude con una breve analisi dell’emissione termica da parte del disco di accrescimento.

Analysis of the scale effect in different computed tomography systems on the evaluation of bone tissue parameters

Tra le patologie ossee attualmente riconosciute, l’osteoporosi ricopre il ruolo di protagonista data le sua diffusione globale e la multifattorialità delle cause che ne provocano la comparsa. Essa è caratterizzata da una diminuzione quantitativa della massa ossea e da alterazioni qualitative della micro-architettura del tessuto osseo con conseguente aumento della fragilità di quest’ultimo e relativo rischio di frattura. In campo medico-scientifico l’imaging con raggi X, in particolare quello tomografico, da decenni offre un ottimo supporto per la caratterizzazione ossea; nello specifico la microtomografia, definita attualmente come “gold-standard” data la sua elevata risoluzione spaziale, fornisce preziose indicazioni sulla struttura trabecolare e corticale del tessuto. Tuttavia la micro-CT è applicabile solo in-vitro, per cui l’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di verificare se e in che modo una diversa metodica di imaging, quale la cone-beam CT (applicabile invece in-vivo), possa fornire analoghi risultati, pur essendo caratterizzata da risoluzioni spaziali più basse. L’elaborazione delle immagini tomografiche, finalizzata all’analisi dei più importanti parametri morfostrutturali del tessuto osseo, prevede la segmentazione delle stesse con la definizione di una soglia ad hoc. I risultati ottenuti nel corso della tesi, svolta presso il Laboratorio di Tecnologia Medica dell’Istituto Ortopedico Rizzoli di Bologna, mostrano una buona correlazione tra le due metodiche quando si analizzano campioni definiti “ideali”, poiché caratterizzati da piccole porzioni di tessuto osseo di un solo tipo (trabecolare o corticale), incluso in PMMA, e si utilizza una soglia fissa per la segmentazione delle immagini. Diversamente, in casi “reali” (vertebre umane scansionate in aria) la stessa correlazione non è definita e in particolare è da escludere l’utilizzo di una soglia fissa per la segmentazione delle immagini.

Measurement of the Z and W production cross section in pp collisions at LHC using a bayesian approach

L’obiettivo di tutto il mio lavoro è stato quello di misurare le sezioni d’urto di produzione dei bosoni deboli W ± e Z nei loro decadimenti leptonici (e, μ) coi dati raccolti dal rivelatore ATLAS a LHC con un’energia del centro di massa di √s = 13 TeV relativi all’estate 2015. Gli eventi selezionati sono gli stessi di quelli del recente articolo della Collaborazione ATLAS sullo stesso argomento, in modo anche da poter operare un confronto tra i risultati ottenuti. Confronto peraltro necessario, poichè i risultati sono stati ottenuti con due metodologie differenti: tradizionale (classica) per l’articolo, bayesiana in questa tesi. L’approccio bayesiano permette di combinare i vari canali e di trattare gli effetti sistematici in modo del tutto naturale. I risultati ottenuti sono in ottimo accordo con le predizioni dello Standard Model e con quelli pubblicati da ATLAS.

MOND e TeVeS: teorie alternative all'ipotesi di materia oscura

In questa tesi descriviamo due teorie, la MOND e la TeVeS, che si pongono come alternativa all’ipotesi dell’esistenza della materia oscura. Seguendo l’ordine storico degli eventi, nel primo capitolo presentiamo i dati sperimentali e le considerazioni teoriche che hanno convinto gli scienziati del ’900 che la massa osservata nell’Universo sia minore della massa dinamica inferita dalla fisica newtoniana e dalla Relatività Generale. Il primo tentativo di risolvere questo problema è consistito nell’ipotizzare l’esistenza di una materia non ancora osservata, divenuta nota come “materia oscura”. Affrontando le questioni sollevate dalle curve di rotazione delle galassie a spirale, dalla relazione di Tully-Fisher, dalla legge di Freeman e dalle fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo, vedremo come questa ipotesi si sia evoluta per tenere conto dei risultati sperimentali, a partire dal modello della sfera isoterma fino al modello ΛCDM, e i problemi che essa non risolve. Nel secondo capitolo descriviamo la MOND, una modifica della dinamica newtoniana nata con l’obiettivo di ridurre la quantità di materia oscura necessaria per descrivere l’Universo. Il problema della massa nascosta può, infatti, essere dovuto a un’incompleta comprensione delle leggi della fisica e, confrontando la MOND con i dati sperimentali presentati nel primo capitolo, vedremo come essa riesca a descrivere la dinamica su scale galattiche ed extragalattiche. Concluderemo il capitolo mostrando una densità di lagrangiana capace di riprodurre la formula fenomenologica della MOND. Per affrontare le questioni cosmologiche è necessario disporre di una teoria relativistica che recuperi la MOND nel limite di campo debole. Nel terzo capitolo trattiamo quindi la TeVeS, riportando le azioni che permettono di derivare le equazioni dei campi di tale teoria. Dopo averne studiato i limiti relativistici e non relativistici, accenneremo a come essa permetta di estendere il paradigma MOND in campo cosmologico.

Analisi del sistema di controllo di una bobina per la generazione di campi magnetici in un esperimento di fisica atomica

Questa tesi, svolta nell’ambito dell’esperimento BEC3 presso il LENS di Firenze, si propone di studiare i problemi connessi alla variazione improvvisa di corrente in elementi induttivi, come sono le bobine utilizzate per generare campi magnetici. Nell’esperimento BEC3, come in molti esperimenti di atomi freddi, vi è spesso la necessità di compiere operazioni di questo genere anche in tempi brevi. Verrà analizzato il sistema di controllo incaricato di invertire la corrente in una bobina, azione che va effettuata in tempi dell’ordine di qualche millisecondo ed evitando i danni dovuti alle alte tensioni che si sviluppano ai capi della bobina. Per questa analisi sono state effettuate simulazioni del circuito e misure sperimentali, allo scopo di determinare il comportamento e stimare la durata dell’operazione.

Analisi della stabilità motoria durante il cammino: come gli indici di variabilità e stabilità dell'accelerazione del centro di massa sono influenzati da processi cognitivi (dual-task)

La valutazione strumentale del cammino è solitamente svolta chiedendo ai soggetti semplicemente di camminare (ST). Tale condizione non rappresenta la quotidianità. Infatti, nella vita di tutti i giorni la locomozione richiede di adattarsi alle necessità individuali e il coinvolgimento di attività cognitive. I paradigmi di Dual-Task (DT) sono utilizzati per valutare i cambiamenti nella strategia di controllo del cammino in situazioni di vita quotidiana. In particolare, gli indici di performance, di variabilità e di stabilità, utilizzati nella valutazione del controllo motorio, potrebbero essere utili per valutare le interferenze cognitive durante il cammino. L’obiettivo del lavoro è di valutare come tali indici cambiano durante il Dual-Task. Sono stati reclutati 16 studenti, giovani e sani, della Facoltà di Ingegneria Biomedica di Cesena, ai quali è stato chiesto di compiere un cammino rettilineo di 250 m, senza ostacoli, all’aperto, in due condizioni: svolgendo la sola attività di cammino (ST); aggiungendo al precedente task, una sottrazione consecutiva di 7 ad alta voce, partendo da un numero casuale (DT). Tramite tre sensori inerziali tri-assiali, posti sul tronco (L5) e sulle caviglie, sono stati acquisiti i segnali di accelerazione e velocità angolare. Dopo aver calcolato, a partire da tali dati, indici di performance (numero di passi, cadence, velocità e tempo di esecuzione del test), di variabilità (Standard Deviation, Coefficient of Variation, Index of the Variance, Nonstationary Index, Poincare 4 Plots) e di stabilità (Harmonic Ratio e Index of Harmonicity), nelle due condizioni (ST e DT), è stata eseguita un’analisi statistica tra i due task. Le analisi statistiche condotte su tali indici hanno evidenziato che il DT influenza prevalentemente gli indici di performance (numero di passi, cadence, velocità e tempo di esecuzione del test) e in grado minore gli indici di variabilità e stabilità.

Sezioni d'urto differenziali per la produzione t/t a 8 TeV nel canale puramente adronico con CMS

La sezione d'urto differenziale di produzione di coppie t/t viene misurata utilizzando dati raccolti nel 2012 dall'esperimento CMS in collisioni protone-protone con un'energia nel centro di massa di 8 TeV. La misura viene effettuata su eventi che superano una serie di selezioni applicate al fine di migliorare il rapporto segnale/rumore. In particolare, facendo riferimento al canale all-hadronic, viene richiesta la presenza di almeno sei jet nello stato finale del decadimento della coppia t/t di cui almeno due con quark b. Ottenuto un campione di eventi sufficientemente puro, si può procedere con un fit cinematico, che consiste nel minimizzare una funzione chi quadro in cui si considera tra i parametri liberi la massa invariante associata ai quark top; le cui distribuzioni, richiedendo che il chi quadro sia <10, vengono ricostruite per gli eventi candidati, per il segnale, ottenuto mediante eventi simulati, e per il fondo, modellizzato negando la presenza di jet con b-tag nello stato finale del decadimento della coppia t/t. Con le suddette distribuzioni, attraverso un fit di verosimiglianza, si deducono le frazioni di segnale e di fondo presenti negli eventi. È dunque possibile riempire un istogramma di confronto tra gli eventi candidati e la somma di segnale+fondo per la massa invariante associata ai quark top. Considerando l'intervallo di valori nel quale il rapporto segnale/rumore è migliore si possono ottenere istogrammi di confronto simili al precedente anche per la quantità di moto trasversa del quark top e la massa invariante e la rapidità del sistema t/t. Infine, la sezione d'urto differenziale è misurata attraverso le distribuzioni di tali variabili dopo aver sottratto negli eventi il fondo.

Studio di fattibilità della ricostruzione del decadimento $D^0\to K^-\mu^+\nu_{\mu}$ ad LHCb

Il Modello Standard delle particelle elementari prevede l’universalità del sapore leptonico, cioè l’uguaglianza della probabilità di accoppiamento dei bosoni di gauge carichi dell’interazione debole con tutti i leptoni. Recentemente, le Collaborazioni LHCb, BaBar e Belle, misurando il rapporto tra i branching ratio dei decadimenti $B^0\to D^{∗− }\tau^+\nu_{\tau} e $B^0 →D^{∗−}\mu^+\nu_{\mu}, hanno osservato una deviazione dai valori previsti dal Modello Standard di 3.9 deviazioni standard. Questo interessante risultato, se confermato, indicherebbe l’esistenza di nuove particelle, come per esempio il bosone di Higgs carico. Analogamente ai decadimenti del mesone $B^0$ , è possibile cercare effetti analoghi anche nel rapporto di branching ratio dei decadimenti $D^0\to K^ −\mu^+\nu_{\mu}$ e $D^0\to K^−e^+\nu_e$ . In questo lavoro di tesi è stato realizzato uno studio preliminare di questa misura. In particolare, è stato studiata, tramite simulazioni Monte Carlo, la ricostruzione del processo $D^{*\pm}\to D^0 (\to K^− \mu+\nu_{\mu})\pi_s^{\pm}$ nell’esperimento LHCb. Questo canale ha la particolarità di avere una particella invisibile, il neutrino, al rivelatore LHCb. Tuttavia, mediante vincoli cinematici e topologici, è possibile ricavare le componenti dell’impulso del neutrino, con risoluzioni non paragonabili a quelle di una particella visibile, ma comunque accettabili. In questa tesi sono riportati i calcoli che permettono di ottenere queste informazioni ed è stata studiata la risoluzione sulla massa invariante del $D^{∗\pm}$ . La tesi è organizzata nel seguente modo: il primo capitolo riporta le motivazioni della misura dei rapporti dei branching ratio e l’attuale stato sperimentale; il secondo capitolo contiene una breve descrizione del rivelatore LHCb; il terzo capitolo, infine, descrive lo studio di fattibilità della ricostruzione del decadimento $D^0\to K^-\mu^+\nu_{\mu}.