Cosmological predictions for a scalar tensor dark energy model by a dedicated Einstein-Boltzmann code

We have extended the Boltzmann code CLASS and studied a specific scalar tensor dark energy model: Induced Gravity

Black hole evaporation and stress tensor correlations

General Relativity is one of the greatest scientific achievementes of the 20th century along with quantum theory. These two theories are extremely beautiful and they are well verified by experiments, but they are apparently incompatible. Hints towards understanding these problems can be derived studying Black Holes, some the most puzzling solutions of General Relativity. The main topic of this Master Thesis is the study of Black Holes, in particular the Physics of Hawking Radiation. After a short review of General Relativity, I study in detail the Schwarzschild solution with particular emphasis on the coordinates systems used and the mathematical proof of the classical laws of Black Hole "Thermodynamics". Then I introduce the theory of Quantum Fields in Curved Spacetime, from Bogolubov transformations to the Schwinger-De Witt expansion, useful for the renormalization of the stress energy tensor. After that I introduce a 2D model of gravitational collapse to study the Hawking radiation phenomenon. Particular emphasis is given to the analysis of the quantum states, from correlations to the physical implication of this quantum effect (e.g. Information Paradox, Black Hole Thermodynamics). Then I introduce the renormalized stress energy tensor. Using the Schwinger-De Witt expansion I renormalize this object and I compute it analytically in the various quantum states of interest. Moreover, I study the correlations between these objects. They are interesting because they are linked to the Hawking radiation experimental search in acoustic Black Hole models. In particular I find that there is a characteristic peak in correlations between points inside and outside the Black Hole region, which correpsonds to entangled excitations inside and outside the Black Hole. These peaks hopefully will be measurable soon in supersonic BEC.

Machine Learning applicato al Web Semantico: Statistical Relational Learning vs Tensor Factorization

Obiettivo della tesi è analizzare e testare i principali approcci di Machine Learning applicabili in contesti semantici, partendo da algoritmi di Statistical Relational Learning, quali Relational Probability Trees, Relational Bayesian Classifiers e Relational Dependency Networks, per poi passare ad approcci basati su fattorizzazione tensori, in particolare CANDECOMP/PARAFAC, Tucker e RESCAL.

String inflationary models with non-monotonic slow-roll and detectable tensor modes

The first chapter of this work has the aim to provide a brief overview of the history of our Universe, in the context of string theory and considering inflation as its possible application to cosmological problems. We then discuss type IIB string compactifications, introducing the study of the inflaton, a scalar field candidated to describe the inflation theory. The Large Volume Scenario (LVS) is studied in the second chapter paying particular attention to the stabilisation of the Kähler moduli which are four-dimensional gravitationally coupled scalar fields which parameterise the size of the extra dimensions. Moduli stabilisation is the process through which these particles acquire a mass and can become promising inflaton candidates. The third chapter is devoted to the study of Fibre Inflation which is an interesting inflationary model derived within the context of LVS compactifications. The fourth chapter tries to extend the zone of slow-roll of the scalar potential by taking larger values of the field φ. Everything is done with the purpose of studying in detail deviations of the cosmological observables, which can better reproduce current experimental data. Finally, we present a slight modification of Fibre Inflation based on a different compactification manifold. This new model produces larger tensor modes with a spectral index in good agreement with the date released in February 2015 by the Planck satellite.

Forecasts on the dark energy anisotropic stress for the esa euclid survey

The cosmological constant Λ seems to be a not satisfactory explanation of the late-time accelerated expansion of the Universe, for which a number of experimental evidences exist; therefore, it has become necessary in the last years to consider alternative models of dark energy, meant as cause of the accelerated expansion. In the study of dark energy models, it is important to understand which quantities can be determined starting from observational data, without assuming any hypothesis on the cosmological model; such quantities have been determined in Amendola, Kunz et al., 2012. In the same paper it has been further shown that it is possible to estabilish a relation between the model-independent parameters and the anisotropic stress η, which can be also expressed as a combination of the functions appearing in the most general Lagrangian for the scalar-tensor theories, the Horndeski Lagrangian. In the present thesis, the Fisher matrix formalism is used to perform a forecast on the constraints that will be possible to make on the anisotropic stress η in the future, starting from the estimated uncertainties for the galaxy clustering and weak lensing measurements which will be performed by the European Space Agency Euclid mission, to be launched in 2020. Further, constraints coming from supernovae-Ia observations are considered. The forecast is performed for two cases in which (a) η is considered as depending from redshift only and (b) η is constant and equal to one, as in the ΛCDM model.

13C NMR of a single molecule magnet: analysis of pseudocontact shifts and residual dipolar couplings

Paramagnetic triple decker complexes of lanthanides are promising Single Molecule Magnets (SMMs), with many potential uses. Some of them show preferable relaxation behavior, which enables the recording of well resolved NMR spectra. These axially symmetric complexes are also strongly magnetically anisotropic, and this property can be described with the axial component of the magnetic susceptibility tensor, χa. For triple decker complexes with phthalocyanine based ligands, the Fermi˗contact contribution is small. Hence, together with the axial symmetry, the experimental chemical shifts in 1H and 13C NMR spectra can be modeled easily by considering pseudocontact and orbital shifts alone. This results in the determination of the χa value, which is also responsible for molecular alignment and consequently for the observation of residual dipolar couplings (RDCs). A detailed analysis of the experimental 1H-13C and 1H-1H couplings revealed that contributions from RDCs (positive and negative) and from dynamic frequency shifts (negative for all observed couplings) have to be considered. Whilst the pseudocontact shifts depend on the average positions of 1H and 13C nuclei relative to the lanthanide ions, the RDCs are related to the mobility of nuclei they correspond to. This phenomenon allows for the measurement of the internal mobility of the various groups in the SMMs.

Hypergraph Mining for Social Networks

Nowadays, more and more data is collected in large amounts, such that the need of studying it both efficiently and profitably is arising; we want to acheive new and significant informations that weren't known before the analysis. At this time many graph mining algorithms have been developed, but an algebra that could systematically define how to generalize such operations is missing. In order to propel the development of a such automatic analysis of an algebra, We propose for the first time (to the best of my knowledge) some primitive operators that may be the prelude to the systematical definition of a hypergraph algebra in this regard.

Meccanismi focali e distribuzione magnitudo-frequenza dei terremoti su scala globale ed euromediterranea

La tesi ha come obiettivo l’analisi della correlazione dello stile tettonico, in termini di deformazione sismica, con il b-value della relazione magnitudo-frequenza di occorrenza (Gutenberg e Richter, 1944) in area globale ed euro-mediterranea. L’esistenza di una dipendenza funzionale tra il b-value e gli angoli di rake, del tipo di quella segnalata da Schorlemmer et al. (2005) e Gulia e Wiemer (2010), viene confermata prima su scala globale e poi su scala euro-mediterranea, a partire dai dati dei principali dataset di tensori momento delle aree in esame, il Global Centroid Moment Tensor (GCMT) ed il Regional Centroid Moment Tensor (RCMT). La parte innovativa della tesi consiste invece nell’incrocio di tali dataset con un database globale di terremoti, l’International Seismological Center (ISC), con magnitudo momento omogenea rivalutata in accordo con Lolli et al. (2014), per il calcolo del b-value. Il campo di deformazione sismica viene ottenuto attraverso il metodo della somma dei tensori momento sismico secondo Kostrov (1974) su pixelizzazioni a celle quadrate o esagonali. All’interno di ciascuna cella, le componenti del tensore di ciascun terremoto vengono sommate tra loro e dal tensore somma vengono estratte le direzioni dei piani principali della migliore doppia coppia. Il sub-catalogo sismico per il calcolo del b-value, ottenuto come scomposizione di quello globale ISC, viene invece ricavato per ogni cluster di celle comprese all'interno di un opportuno range di rake, le quali condividono un medesimo stile tettonico (normale, inverso o trascorrente). La magnitudo di completezza viene valutata attraverso i metodi di massima verosimiglianza [Bender, 1983] ed EMR [Woessner e Wiemer 2005]. La retta di interpolazione per il calcolo del b-value viene costruita quindi secondo il metodo di massima verosimiglianza [Bender, 1983] [Aki 1965]. L’implementazione nel linguaggio del software Matlab® degli algoritmi di pixelizzazione e di costruzione dei tensori somma, l’utilizzo di funzioni di calcolo dal pacchetto Zmap [Wiemer e Wyss, 2001], unite al lavoro di traduzione di alcune routines [Gasperini e Vannucci (2003)] dal linguaggio del FORTRAN77, hanno costituito la parte preliminare al lavoro. La tesi è strutturata in 4 capitoli.Nel primo capitolo si introducono le nozioni teoriche di base riguardanti i meccanismi focali e la distribuzione magnitudo-frequenza, mentre nel secondo capitolo l’attenzione viene posta ai dati sismici dei database utilizzati. Il terzo capitolo riguarda le procedure di elaborazione dati sviluppate nella tesi. Nel quarto ed ultimo capitolo infine si espongono e si discutono i risultati sperimentali ottenuti, assieme alle conclusioni finali.

The effect of diffusion gradient direction number on tractography of corticospinal tract in human brain: an along-tract analysis

Nel presente lavoro di tesi ho sviluppato un metodo di analisi di dati di DW-MRI (Diffusion-Weighted Magnetic Resonance Imaging)cerebrale, tramite un algoritmo di trattografia, per la ricostruzione del tratto corticospinale, in un campione di 25 volontari sani. Il diffusion tensor imaging (DTI) sfrutta la capacità del tensore di diffusione D di misurare il processo di diffusione dell’acqua, per stimare quantitativamente l’anisotropia dei tessuti. In particolare, nella sostanza bianca cerebrale la diffusione delle molecole di acqua è direzionata preferenzialmente lungo le fibre, mentre è ostacolata perpendicolarmente ad esse. La trattografia utilizza le informazioni ottenute tramite il DW imaging per fornire una misura della connettività strutturale fra diverse regioni del cervello. Nel lavoro si è concentrata l’attenzione sul fascio corticospinale, che è coinvolto nella motricità volontaria, trasmettendo gli impulsi dalla corteccia motoria ai motoneuroni del midollo spinale. Il lavoro si è articolato in 3 fasi. Nella prima ho sviluppato il pre-processing di immagini DW acquisite con un gradiente di diffusione sia 25 che a 64 direzioni in ognuno dei 25 volontari sani. Si è messo a punto un metodo originale ed innovativo, basato su “Regions of Interest” (ROIs), ottenute attraverso la segmentazione automatizzata della sostanza grigia e ROIs definite manualmente su un template comune a tutti i soggetti in esame. Per ricostruire il fascio si è usato un algoritmo di trattografia probabilistica che stima la direzione più probabile delle fibre e, con un numero elevato di direzioni del gradiente, riesce ad individuare, se presente, più di una direzione dominante (seconda fibra). Nella seconda parte del lavoro, ciascun fascio è stato suddiviso in 100 segmenti (percentili). Sono stati stimati anisotropia frazionaria (FA), diffusività media, probabilità di connettività, volume del fascio e della seconda fibra con un’analisi quantitativa “along-tract”, per ottenere un confronto accurato dei rispettivi percentili dei fasci nei diversi soggetti. Nella terza parte dello studio è stato fatto il confronto dei dati ottenuti a 25 e 64 direzioni del gradiente ed il confronto del fascio fra entrambi i lati. Dall’analisi statistica dei dati inter-subject e intra-subject è emersa un’elevata variabilità tra soggetti, dimostrando l’importanza di parametrizzare il tratto. I risultati ottenuti confermano che il metodo di analisi trattografica del fascio cortico-spinale messo a punto è risultato affidabile e riproducibile. Inoltre, è risultato che un’acquisizione con 25 direzioni di DTI, meglio tollerata dal paziente per la minore durata dello scan, assicura risultati attendibili. La principale applicazione clinica riguarda patologie neurodegenerative con sintomi motori sia acquisite, quali sindromi parkinsoniane sia su base genetica o la valutazione di masse endocraniche, per la definizione del grado di contiguità del fascio. Infine, sono state poste le basi per la standardizzazione dell’analisi quantitativa di altri fasci di interesse in ambito clinico o di studi di ricerca fisiopatogenetica.

Dynamical evolution of quantum states: a geometrical approach.

Questo lavoro di tesi si inserisce nel recente filone di ricerca che ha lo scopo di studiare le strutture della Meccanica quantistica facendo impiego della geometria differenziale. In particolare, lo scopo della tesi è analizzare la geometria dello spazio degli stati quantistici puri e misti. Dopo aver riportato i risultati noti relativi a questo argomento, vengono calcolati esplicitamente il tensore metrico e la forma simplettica come parte reale e parte immaginaria del tensore di Fisher per le matrici densità 2×2 e 3×3. Quest’ultimo altro non é che la generalizzazione di uno strumento molto usato in Teoria dell’Informazione: l’Informazione di Fisher. Dal tensore di Fisher si può ottenere un tensore metrico non solo sulle orbite generate dall'azione del gruppo unitario ma anche su percorsi generati da trasformazioni non unitarie. Questo fatto apre la strada allo studio di tutti i percorsi possibili all'interno dello spazio delle matrici densità, che in questa tesi viene esplicitato per le matrici 2×2 e affrontato utilizzando il formalismo degli operatori di Kraus. Proprio grazie a questo formalismo viene introdotto il concetto di semi-gruppo dinamico che riflette la non invertibilità di evoluzioni non unitarie causate dall'interazione tra il sistema sotto esame e l’ambiente. Viene infine presentato uno schema per intraprendere la stessa analisi sulle matrici densità 3×3, e messe in evidenza le differenze con il caso 2×2.

Studio del tensore di diffusione per la differenziazione delle strutture renali

La tecnologia della diffusion tensor imaging (DTI) è una tecnica non invasiva, che permette di effettuare una caratterizzazione in vivo di diversi tessuti, è una tecnica consolidata in ambito neurologico e rappresenta una metodica ancora da esplorare ma molto promettente in ambito renale. Questo lavoro di tesi si concentra in primo luogo sulla differenziazione di diverse strutture renali quali, la corteccia e la medulla del rene sano, le cisti del rene affetto dalla malattia policistica autosomica dominante e i carcinomi. La seconda parte del lavoro si concentra sui reni policistici, in quanto è una delle malattie genetiche più comuni e la principale causa di insufficienza renale e non è, ad oggi, stata adeguatamente affrontata in questo genere di studi. Il secondo obiettivo è, quindi, di valutare se la tecnica dell’imaging di diffusione potrebbe essere utile per fornire informazioni sullo stato della malattia e sul grado si avanzamento di essa. Sono stati implementati in Matlab gli algoritmi per la costruzione del tensore di diffusione a partire dalle immagini DWI e per la selezione delle ROI sulle varie regioni di interesse. I risultati ottenuti per l’analisi dei reni policistici dimostrano che per gli intervalli temporali considerati non è possibile correlare il valore di diffusività media del parenchima e lo stadio di avanzamento della malattia, stabilito dai valori di eGFR. Per quanto riguarda i risultati ottenuti dalla differenziazione delle diverse strutture renali la tecnica della diffusion imaging risulta essere potenzialmente in grado di differenziare i diversi tessuti renali e di valutare separatamente la funzionalità dei reni.

Bianchi type II cosmology in Hořava–Lifshitz gravity

In this work a Bianchi type II space-time within the framework of projectable Horava Lifshitz gravity was investigated; the resulting field equations in the infrared limit λ = 1 were analyzed qualitatively. We have found the analytical solutions for a toy model in which only the higher curvature terms cubic in the spatial Ricci tensor are considered. The resulting behavior is still described by a transition among two Kasner epochs, but we have found a different transformation law of the Kasner exponents with respect to the one of Einstein's general relativity.