Campi magnetici in astrofisica

Vengono descritti alcuni fenomeni legati ai campo magnetici attraverso la magnetoidrodinamica, approfondendo in particolare i modelli e le evidenze in riferimento al caso solare

Campi magnetici in astrofisica

In ambito astrofisico i campi magnetici ricoprono un ruolo importante nelle più differenti situazioni. Il seguente elaborato ha lo scopo di approfondire ed analizzare uno tra tutti gli innumerevoli casi: il magnetismo solare. Nel primo capitolo si intoducono quelli che sono i principi della magnetoidrodinamica e in particolare si fa riferimento alle approsimazioni necessarie per lo studio delle interazioni dei campi magnetici con i fluidi astrofisici delle strutture stellari, che, date le elevate temperature a cui si trovano e le loro caratteristiche fisiche, sono sempre trattabili come plasmi. Nel secondo capitolo si illustrano i modelli principali che sono alla base degli aspetti morfologici più importanti delle strutture magnetiche fotosferiche e della loro evoluzione temporale. Si passa, quindi, a descrivere i fenomeni più spettacolari e di maggior interesse astrofisico, che hanno luogo nei diversi strati dell’atmosfera del Sole come conseguenza di questa intensa e ciclica attività magnetica: macchie solari, brillamenti, protuberanze ed eruzioni di massa coronale.

Campi magnetici in astrofisica

In ambiente astrofisico, se si parla di campi magnetici, due sono gli elementi che devono sovvenire alla mente: plasma relativistico e radiazione di sincrotrone. L'elaborato vuole illustrare in modo più semplice possibile come si presenta una radiosorgente dal punto di vista magnetoidrodinamico e, più ampiamente, come funziona a livello di interazione elettromagnetica di sincrotrone

Campi magnetici in astrofisica: determinazione dell'intensità minima e massima del campo magnetico delle pulsar

L’intento dell’elaborato è quello di ricavare i limiti teorici ai quali è soggetta l’intensità del campo magnetico delle pulsar. Troveremo due relazioni: una che esprime il valore massimo dell’intensità del campo magnetico per una pulsar, e una che ne esprime il valore minimo. Combineremo infine i nostri due risultati in una disequazione, nella quale l'intensità del campo magnetico di una pulsar è minorata e maggiorata dai due termini trovati. Il valore massimo che può assumere l’intensità del campo magnetico di una pulsar verrà derivato dalla condizione di stabilità espressa dal teorema del viriale per un sistema sferico rotante in presenza di un campo magnetico. Enunceremo inizialmente il teorema del viriale nella sua forma generale, dopodiché ne presenteremo l'espressione in un caso statico in presenza di un campo magnetico. Abbandoneremo poi il caso statico per includere l'effetto della rotazione, non trascurabile nel caso delle pulsar. Dopo aver adattato la condizione di stabilità derivante dal teorema del viriale al nostro modello di pulsar, ricaveremo il valore massimo dell'intensità del campo magnetico. Il valore minimo che può assumere l’intensità del campo magnetico di una pulsar verrà ricavato uguagliando la potenza emessa dalla pulsar mentre ruota (approssimata ad un dipolo rotante) con la perdita di energia rotazionale che si osserva normalmente per questi oggetti. Otterremo alla fine due termini che delimitano i valori che può assumere l’intensità del campo magnetico per una pulsar. Sostituendo alla relazione trovata i valori di raggio e massa tipici per una pulsar, saremo in grado di riscrivere tale relazione unicamente in funzione del periodo di rotazione della pulsar e della sua derivata rispetto al tempo. Sostituiremo i valori di periodo e derivata temporale del periodo di una pulsar esistente per avere un’idea del range di valori sotteso dai due termini trovati.

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.

Test di silicon photomultipliers (sipm) accoppiati a scintillatori

In questa tesi si riportano i risultati di uno studio della risoluzione temporale di un fotomoltiplicatore al Silicio (SiPM). La diffusione di questi rivelatori è in notevole aumento sia nelle ricerche di Fisica Nucleare e Subnucleare che nelle applicazioni mediche. I vantaggi sono legati alla loro insensibilità ai campi magnetici e ai facili modi di operazione (piccoli, robusti e con utilizzo a basso voltaggio). Usati sino ad ora per la misura di cariche, sono oggi di grande interesse per possibili applicazioni che richiedano alta risoluzione temporale (sistemi di tempo di volo, trigger, calorimetria). In questo studio sono stati studiati due tipi diversi di accoppiamento Scintillatore-SiPM: diretto o tramite fibre. Per queste analisi sono stati utilizzati diversi metodi di acquisizione e successivamente si sono incrociati i relativi risultati.

Analisi delle proprieta' non termiche degli ammassi di galassie

In questa tesi si studiano gli aspetti dell’emissione non termica degli ammassi di galassie e le proprietà in confronto all’emissione termica dell’ICM, in particolare verranno messe a confronto le proprietà nella banda radio ed X. Si considerano in particolare le radiosorgenti diffuse: gli aloni, i relitti, i mini aloni e si mostra come l’andamento dello spettro radio degli aloni sia ripido alle alte frequenze; inoltre si nota che merger (scontri) recenti tra ammassi, sembrano fornire energia agli aloni ed ai relitti e dunque come conseguenza di ciò le proprietà nella banda radio e nei raggi X negli ammassi siano collegate tra di loro. I risultati sperimentali consentono di ipotizzare che gli ammassi con aloni e relitti siano caratterizzati da una forte attività dinamica che è collegata ai processi di merging. Si può vedere che i mini aloni sono le uniche sorgenti diffuse che non sono associate a merger tra ammassi. Si discute degli elettroni relativistici negli aloni radio, nei relitti radio e nei mini aloni radio. Trattando i campi magnetici degli ammassi, la loro origine e la polarizzazione che essi producono si evince che misurando la percentuale di polarizzazione si può stimare il grado d’ordine del campo magnetico in una radiosorgente. Se l’ICM in un ammasso possiede un forte effetto sulle strutture delle radiogalassie, la probabilità di formare radiosorgenti sembra non essere influenzata dall’ambiente dell’ammasso, ma soltanto dai merger degli ammassi. Nel secondo capitolo in particolare, si approfondisce invece la radiazione di sincrotrone.  

Entanglement entropy in 1-d quantum spin chains

In questa tesi abbiamo studiato il comportamento delle entropie di Entanglement e dello spettro di Entanglement nel modello XYZ attraverso delle simulazioni numeriche. Le formule per le entropie di Von Neumann e di Renyi nel caso di una catena bipartita infinita esistevano già, ma mancavano ancora dei test numerici dettagliati. Inoltre, rispetto alla formula per l'Entropia di Entanglement di J. Cardy e P. Calabrese per sistemi non critici, tali relazioni presentano delle correzioni che non hanno ancora una spiegazione analitica: i risultati delle simulazioni numeriche ne hanno confermato la presenza. Abbiamo inoltre testato l'ipotesi che lo Schmidt Gap sia proporzionale a uno dei parametri d'ordine della teoria, e infine abbiamo simulato numericamente l'andamento delle Entropie e dello spettro di Entanglement in funzione della lunghezza della catena di spin. Ciò è stato possibile solo introducendo dei campi magnetici ''ad hoc'' nella catena, con la proprietà che l'andamento delle suddette quantità varia a seconda di come vengono disposti tali campi. Abbiamo quindi discusso i vari risultati ottenuti.

Analisi e simulazione di un sistema per la misura sperimentale del dipolo magnetico residuo di micro-satelliti

La dinamica dell'assetto di un satellite artificiale rappresenta uno degli aspetti più delicati della missione che esso stesso andrà a svolgere in orbita attorno ad un qualche corpo celeste, quale appunto il pianeta Terra. Il seguente lavoro di tesi si propone di analizzare la causa di una delle principali componenti di disturbo dell'assetto appena menzionato, preponderante per satelliti dalle piccole dimensioni, fornendo la spiegazione, validata attraverso una simulazione, della messa a punto di un metodo sperimentale per la valutazione della stessa. La componente in questione è la coppia di disturbo magnetica, ed è generata dall'interazione tra il campo magnetico terrestre ed il cosiddetto 'dipolo magnetico residuo' del satellite stesso, ossia quel campo magnetico che esso, in modalità operativa e non, risulta generare a causa del materiale ferromagnetico presente al suo interno, e delle correnti elettriche circolanti nei vari cavi conduttori. Ci si è dunque occupati dell'analisi e messa a punto di un metodo che possa consentire sperimentalmente di rilevare l'entità del dipolo residuo. Il lavoro di simulazione è stato svolto prendendo in considerazione le dimensioni e le possibili caratteristiche del dipolo residuo del micro-satellite ESEO (European Student Earth Orbiter), sviluppato da studenti di diverse università europee ed ora in fase di progetto dettagliato (fase C) presso i laboratori dell'azienda ALMASpace S.r.l. di Forlì. Il metodo in esame consiste nel rilevare il campo magnetico generato dal satellite, posto all'interno di un sistema tridimensionale di bobine di Helmholtz per avere una zona libera da campi magnetici esterni. Il rilevamento del dipolo avviene per mezzo di un magnetometro a tre assi, e dalla suddetta misura si può pervenire alla conoscenza delle componenti del dipolo stesso, quali posizione, orientamento ed intensità; siccome però la misura del magnetometro non è ideale, ma risulta affetta da errori, per una più corretta caratterizzazione del dipolo è necessario utilizzare un numero maggiore di magnetometri (oppure, il che è lo stesso, un unico magnetometro spostato mano a mano) in punti diversi attorno al satellite in modo da avere più misure di campo magnetico e poter così sfruttare una procedura numerica di ottimizzazione per risalire alle componenti del dipolo. Questa intera parte di calcolo è stata realizzata in MatLab®, simulando quindi le misure ottenute dai magnetometri, 'sporcandole' con i predetti errori, ed utilizzando le funzioni di minimizzazione lsqnonlin ed fmincon per verificare la funzionalità del sistema; si sono infatti analizzati i grafici rappresentanti i livelli di errore commessi dall'algoritmo di stima sulle varie componenti del dipolo, per le tipologie di errore dei magnetometri menzionate in precedenza. Si è così cercato di suggerire una configurazione ottimale di magnetometri in grado di fornire una stima caratterizzata da un buon compromesso tra numero di magnetometri da utilizzare non troppo elevato ed errore derivante accettabile.

Studio di scintillatori accoppiati a SiPM per un tracciatore di particelle cariche

Negli esperimenti con particelle elementari si rende spesso necessario misurarne l’impulso e discriminare il segno della carica con l’ausilio di campi magnetici. Il lavoro presentato in questa tesi si inserisce nell'attività preliminare per la realizzazione di uno spettrometro per muoni con impulso nell'intervallo 0.5-4 GeV, posto all'interno di un campo magnetico in aria. Il prototipo di tracciatore su cui sono state condotte le misure presentate in questa tesi è costituito da diversi piani di barre di scintillatore plastico accoppiate a fotomoltiplicatori al Silicio. Le misure di laboratorio sono state finalizzate a determinare la risoluzione spaziale del prototipo a partire dai segnali di muoni cosmici nelle barre di scintillatore. Dalla ricostruzione delle tracce dei muoni è stata determinata una risoluzione spaziale migliore di 2 mm, che risulta adeguata per lo spettrometro che si vuole realizzare.

Innovazioni nel campo dell'ElettroEncefalografia

Il funzionamento del cervello umano, organo responsabile di ogni nostra azione e pensiero, è sempre stato di grande interesse per la ricerca scientifica. Dopo aver compreso lo sviluppo dei potenziali elettrici da parte di nuclei neuronali in risposta a stimoli, si è riusciti a graficare il loro andamento con l'avvento dell'ElettroEncefaloGrafia (EEG). Tale tecnologia è entrata a far parte degli esami di routine per la ricerca di neuropsicologia e di interesse clinico, poiché permette di diagnosticare e discriminare i vari tipi di epilessia, la presenza di traumi cranici e altre patologie del sistema nervoso centrale. Purtroppo presenta svariati difetti: il segnale è affetto da disturbi e richiede un'adeguata elaborazione tramite filtraggio e amplificazione, rimanendo comunque sensibile a disomogeneità dei tessuti biologici e rendendo difficoltoso il riconoscimento delle sorgenti del segnale che si sono attivate durante l'esame (il cosiddetto problema inverso). Negli ultimi decenni la ricerca ha portato allo sviluppo di nuove tecniche d'indagine, di particolare interesse sono la ElettroEncefaloGrafia ad Alta Risoluzione (HREEG) e la MagnetoEncefaloGrafia (MEG). L'HREEG impiega un maggior numero di elettrodi (fino a 256) e l'appoggio di accurati modelli matematici per approssimare la distribuzione di potenziale elettrico sulla cute del soggetto, garantendo una migliore risoluzione spaziale e maggior sicurezza nel riscontro delle sorgenti neuronali. Il progresso nel campo dei superconduttori ha reso possibile lo sviluppo della MEG, che è in grado di registrare i deboli campi magnetici prodotti dai segnali elettrici corticali, dando informazioni immuni dalle disomogeneità dei tessuti e andando ad affiancare l'EEG nella ricerca scientifica. Queste nuove tecnologie hanno aperto nuovi campi di sviluppo, più importante la possibilità di comandare protesi e dispositivi tramite sforzo mentale (Brain Computer Interface). Il futuro lascia ben sperare per ulteriori innovazioni.

Prototipo di un tracciatore per particelle cariche con risoluzione millimetrica

Questa tesi si inserisce nell’ambito del progetto WA104-NESSiE al CERN per il quale era richiesto lo sviluppo di un tracciatore di particelle cariche da utilizzare in presenza di campi magnetici e avente una risoluzione sulla posizione ricostruita di 1-2 mm. Il lavoro di tesi ha riguardato l'analisi dei dati raccolti con un prototipo del tracciatore composto da barre di scintillatori a sezione triangolare, accoppiati a SiPM i cui segnali sono acquisiti in modalità analogica. Il prototipo è stato esposto a particelle cariche presso la linea di fascio T9 del PS del CERN nel maggio 2016. La catena di analisi è stata validata con dati provenienti da una simulazione Monte Carlo basata su Geant4 che fornisce la risposta del tracciatore al passaggio di particelle cariche (pioni e muoni) a diversi impulsi (1-10 GeV/c). Successivamente, è stata fatta un'analisi preliminare dei dati reali e un confronto con la simulazione Monte Carlo. La risoluzione ottenuta per pioni di 5 GeV è di ∼ 2 mm, compatibile con il valore ottenuto dalla simulazione Monte Carlo di ∼ 1.5 mm. Questi risultati sono stati ricavati analizzando una frazione degli eventi acquisiti durante il test beam. Una misura più accurata della risoluzione del tracciatore può essere ottenuta introducendo alcune correzioni, come ad esempio l’allineamento dei piani, la ricalibrazione dei segnali dei singoli canali e, infine, analizzando l’intero campione.

Righe spettrali: formazione, shift ed allargamento

In questo breve elaborato si vuole spiegare l’importanza dello studio di un corpo celeste mediante l’osservazione del suo spettro ovvero un grafico del flusso emesso in funzione della frequenza o della lunghezza d’onda nel quale sono presenti righe spettrali, formate dall’interazione tra materia e radiazione, a causa dell’assorbimento od emissione di fotoni a seguito di transizioni elettroniche, ma anche vibrazionali e rotazionali per le molecole. In particolare, dall’analisi delle righe spettrali si traggono diverse informazioni sull’oggetto, quali, la composizione e l’abbondanza delle specie chimiche che lo compongono in base al tipo di righe presenti e alla loro intensità, si deduce la temperatura e la pressione dell’oggetto studiato dalla larghezza di queste, ancora, informazioni sul moto relativo e la distanza dall’osservatore misurando lo shift delle righe; infine densità e campi magnetici del mezzo interstellare. Per molti oggetti astronomici, troppo distanti, lo studio dello spettro è l’unico modo per trarre conclusioni sulla loro natura. Per questo, nel primo capitolo si ricava l’equazione del trasporto radiativo, soffermandosi sui processi che regolano l’assorbimento e l’emissione di energia. Il secondo capitolo invece, tratta il caso particolare delle atmosfere stellari, nel quale si ricava, con una serie di approssimazioni fatte sull’equazione del trasporto radiativo, quale parte osserviamo di una stella e dove si formano le righe spettrali. Successivamente ci si è concentrati sui meccanismi che portano alla formazione delle righe spettrali, analizzando sia le transizioni radiative con i coefficienti di Einstein, sia quelle collisionali, e distinguendo tra transizioni permesse o proibite con le regole di selezione. Infine si sono esaminate le informazioni che si possono ricavare dalle righe spettrali, approfondendo sui fenomeni di shift e modifica di queste, descrivendo più nel dettaglio la riga a 21 cm dell’atomo di idrogeno, fondamentale in astrofisica.

Dispositivi ottici per la misura di corrente e di tensione

In questa tesi vengono analizzati i principi fisici che stanno alla base dei dispositivi ottici di misura di tensioni e di correnti e, in particolare, vengono presentate le differenti soluzioni tecnologiche investigate dai produttori. La trattazione si concentra principalmente sulle tecniche di misura polarimetriche, che riguardano mutamenti indotti nello stato di polarizzazione della luce, mentre essa viaggia attraverso una fibra ottica, a causa di fenomeni esterni di interesse (come campi magnetici o elettrici). Le tecniche ottiche di misura, in futuro, avranno ruoli sempre più predominanti nel settore della fornitura di energia elettrica, dove offrono miglioramenti in sensibilità e prestazioni, rispetto ai convenzionali sistemi, riducendo inoltre i costi grazie alla minima richiesta di isolamento. Esistono, però, ancora dei problemi da risolvere come l'influenza della temperatura ambientale nella misura o l'affidabilità dei dispositivi per lunghi funzionamenti.

Adiabatic extraction models for beam dynamics

Il presente lavoro prende le mosse da un problema di dinamica dei fasci relativo a un metodo di separazione di un fascio di particelle recentemente messo in funzione nell’sincrotrone PS al CERN. In questo sistema, variando adiabaticamente i parametri di un campo magnetico, nello spazio delle fasi si creano diverse isole di stabilità (risonanze) in cui le particelle vengono catturate. Dopo una parte introduttiva in cui si ricava, a partire dalle equazioni di Maxwell, l’hamiltoniana di una particella sottoposta ai campi magnetici che si usano negli acceleratori, e una presentazione generale della teoria dell’invarianza adiabatica, si procede analizzando la dinamica di tali sistemi. Inizialmente si prende in considerazione l’hamiltoniana mediata sulle variabili veloci, considerando perturbazioni (kick) dei termini dipolare e quadrupolare. In ognuno dei due casi, si arriva a determinare la probabilità che una particella sia catturata nella risonanza. Successivamente, attraverso un approccio perturbativo, utilizzando le variabili di azione ed angolo, si calcola la forza della risonanza 4:1 per un kick quadrupolare.