Fermion masses, leptogenesis and gravitational waves in SO(10)

Grand Unification Theories (GUTs) predict the unification of three of the fundamental forces and are a possible extension of the Standard Model, some of them predict neutrino mass and baryon asymmetry. We consider a minimal non-supersymmetric $SO(10)$ GUT model that can reproduce the observed fermionic masses and mixing parameters of the Standard Model. We calculate the scales of spontaneous symmetry breaking from the GUT to the Standard Model gauge group using two-loop renormalisation group equations. This procedure determines the proton decay rate and the scale of $U(1)_{B-L}$ breaking, which generates cosmic strings, and the right-handed neutrino mass scales. Consequently, the regions of parameter space where thermal leptogenesis is viable are identified and correlated with the fermion masses and mixing, the neutrinoless double beta decay rate, the proton decay rate, and the gravitational wave signal resulting from the network of cosmic strings. We demonstrate that this framework, which can explain the Standard Model fermion masses and mixing and the observed baryon asymmetry, will be highly constrained by the next generation of gravitational wave detectors and neutrino oscillation experiments which will also constrain the proton lifetime

A two-body study of dynamical expansion in the XXZ spin chain and equivalent interacting fermion models

Lo scopo di questa tesi è studiare l'espansione dinamica di due fermioni interagenti in una catena unidimensionale cercando di definire il ruolo degli stati legati durante l'evoluzione temporale del sistema. Lo studio di questo modello viene effettuato a livello analitico tramite la tecnica del Bethe ansatz, che ci fornisce autovalori ed autovettori dell'hamiltoniana, e se ne valutano le proprietà statiche. Particolare attenzione è stata dedicata alle caratteristiche dello spettro al variare dell'interazione tra le due particelle e alle caratteristiche degli autostati. Dalla risoluzione dell'equazione di Bethe vengono ricercate le soluzioni che danno luogo a stati legati delle due particelle e se ne valuta lo spettro energetico in funzione del momento del centro di massa. Si è studiato inoltre l'andamento del numero delle soluzioni, in particolare delle soluzioni che danno luogo ad uno stato legato, al variare della lunghezza della catena e del parametro di interazione. La valutazione delle proprietà dinamiche del modello è stata effettuata tramite l'utilizzo dell'algoritmo t-DMRG (time dependent - Density Matrix Renormalization Group). Questo metodo numerico, che si basa sulla decimazione dello spazio di Hilbert, ci permette di avere accesso a quantità che caratterizzano la dinamica quali la densità e la velocità di espansione. Da queste sono stati estratti i proli dinamici della densità e della velocità di espansione al variare del valore del parametro di interazione.

Numerical and semi-analytical models of sliding masses: application to the 1783 Scilla tsunamigenic landslide

The Scilla rock avalanche occurred on 6 February 1783 along the coast of the Calabria region (southern Italy), close to the Messina Strait. It was triggered by a mainshock of the Terremoto delle Calabrie seismic sequence, and it induced a tsunami wave responsible for more than 1500 casualties along the neighboring Marina Grande beach. The main goal of this work is the application of semi-analtycal and numerical models to simulate this event. The first one is a MATLAB code expressly created for this work that solves the equations of motion for sliding particles on a two-dimensional surface through a fourth-order Runge-Kutta method. The second one is a code developed by the Tsunami Research Team of the Department of Physics and Astronomy (DIFA) of the Bologna University that describes a slide as a chain of blocks able to interact while sliding down over a slope and adopts a Lagrangian point of view. A wide description of landslide phenomena and in particular of landslides induced by earthquakes and with tsunamigenic potential is proposed in the first part of the work. Subsequently, the physical and mathematical background is presented; in particular, a detailed study on derivatives discratization is provided. Later on, a description of the dynamics of a point-mass sliding on a surface is proposed together with several applications of numerical and analytical models over ideal topographies. In the last part, the dynamics of points sliding on a surface and interacting with each other is proposed. Similarly, different application on an ideal topography are shown. Finally, the applications on the 1783 Scilla event are shown and discussed.

On the trace anomaly of a Weyl fermion

La seguente tesi si sviluppa in tre parti: un'introduzione alle simmetrie conformi e di scala, una parte centrale dedicata alle anomalie quantistiche ed una terza parte dedicata all'anomalia di traccia per fermioni. Nella seconda parte in particolare si introduce il metodo di calcolo alla Fujikawa e si discute la scelta di regolatori adeguati ed un metodo per ottenerli, si applicano poi questi metodi ai campi, scalare e vettoriale, per l'anomalia di traccia in spazio curvo. Nell'ultimo capitolo si calcolano le anomalie di traccia per un fermione di Dirac e per uno di Weyl; la motivazione per calcolare queste anomalie nasce dal fatto che recenti articoli hanno suggerito che possa emergere un termine immaginario proporzionale alle densità di Pontryagin nell'anomalia di Weyl. Noi non abbiamo trovato questo termine e il risultato è che l'anomalia di traccia risulta essere metà di quella per il caso di Dirac.

Quantum Monte Carlo study of effective masses in a polarized unitary Fermi gas

Ultracold gases provide an ideal platform for quantum simulations of many-body systems. Here we are interested in a particular system which has been the focus of most experimental and theoretical works on ultracold fermionic gases: the unitary Fermi gas. In this work we study with Quantum Monte Carlo simulations a two-component gas of fermionic atoms at zero temperature in the unitary regime. Specifically, we are interested in studying how the effective masses for the quasi-particles of the two components of the Fermi liquid evolve as the polarization is progressively reduced from full to lower values. A recent theoretical work, based on alternative diagrammatic methods, has indeed suggested that such effective masses should diverge at a critical polarization. To independently verify such predictions, we perform Variational Monte Carlo (VMC) calculations of the energy based on Jastrow-Slater wavefunctions after adding or subtracting a particle with a given momentum to a full Fermi sphere. In this way, we determine the quasi-particle dispersions, from which we extract the effective masses for different polarizations. The resulting effective masses turn out to be quite close to the non-interacting values, even though some evidence of an increase for the effective mass of the minority component appears close to the predicted value for the critical polarization. Preliminary results obtained for the majority component with the Fixed-node Diffusion Monte Carlo (DMC) method seem to indicate that DMC could lead to an increase of the effective masses in comparison with the VMC results. Finally, we point out further improvements of the trial wave-function and boundary conditions that would be necessary in future simulations to draw definite conclusions on the effective masses of the polarized unitary Fermi gas.