Invarianza di gauge in elettromagnetismo e nelle onde gravitazionali

In questa tesi si studia l'uso dell'invarianza di gauge e la sua applicazione alla fisica nello studio dell'Elettromagnetismo e della Gravità. In particolare si fa uso dell'invarianza di gauge per studiare le soluzioni in forma di onde piane delle equazioni di Maxwell e dell'equazione di campo di Einstein. Nella presente tesi si mostra dunque come sia possibile applicare uno stesso procedimento matematico a due fenomeni fisici distinti e trarne conclusioni simili.

Onde gravitazionali - teoria e rivelazione

Nel redarre la tesi si è perseguito l'intento di illustrare la teoria alla base delle onde gravitazionali e dei metodi che ne consentono la rivelazione. È bene tenere presente che con il seguente elaborato non si sta proponendo, in alcun modo, una lettura da sostituire ad un testo didattico. Pur tuttavia, si è cercato di presentare gli argomenti in maniera tale da emulare l'itinerario formativo di uno studente che, per la prima volta, si approcci alle nozioni, non immediatamente intuitive, ivi descritte. Quindi, ogni capitolo è da interpretarsi come un passo verso la comprensione dei meccanismi fisici che regolano produzione, propagazione ed infine rivelazione delle perturbazioni di gravità. Dopo una concisa introduzione, il primo capitolo si apre con il proposito di riepilogare i concetti basilari di geometria differenziale e relatività generale, gli stessi che hanno portato Einstein ad enunciare le famose equazioni di campo. Nel secondo si introduce, come ipotesi di lavoro standard, l'approssimazione di campo debole. Sotto questa condizione al contorno, per mezzo delle trasformazioni dello sfondo di Lorentz e di gauge, si manipolano le equazioni di Einstein, ottenendo la legge di gravitazione universale newtoniana. Il terzo capitolo sfrutta le analogie tra equazioni di campo elettromagnetiche ed einsteiniane, mostrando con quanta naturalezza sia possibile dedurre l'esistenza delle onde gravitazionali. Successivamente ad averne elencato le proprietà, si affronta il problema della loro propagazione e generazione, rimanendo sempre in condizioni di linearizzazione. È poi la volta del quarto ed ultimo capitolo. Qui si avvia una dissertazione sui processi che acconsentono alla misurazione delle ampiezze delle radiazioni di gravità, esibendo le idee chiave che hanno condotto alla costruzione di interferometri all'avanguardia come LIGO. Il testo termina con uno sguardo alle recenti scoperte e alle aspettative future.

Inflazione cosmica e onde gravitazionali primordiali

La teoria dell'inflazione risolve alcuni problemi fondamentali posti dalla teoria standard dell'origine dell'universo, in particolare chiarisce perché l'universo è piatto e omogeneo quando secondo la cosmologia standard non lo dovrebbe essere (o meglio: lo potrebbe essere solo con probabilità molto bassa). Inoltre la teoria dell'inflazione spiega l'origine delle anisotropie della radiazione cosmica di fondo e in tal modo l'inflazione è responsabile anche dell'origine della struttura a grande scala dell'universo. La teoria inflazionaria presenta la possibilità di una conferma sperimentale. Alcune sue predizioni sono già state verificate e una forte prova era sembrata venire dall'esperimento BICEP2, ma per ora (novembre 2014) non c'è stata una conferma. Nello specifico, l'esperimento BICEP2 aveva dichiarato a marzo 2014 di aver rilevato nella radiazione cosmica di fondo il segnale di onde gravitazionali che potevano essere state provocate soltanto dall'inflazione. La presente tesi descrive gli aspetti classici (non quantistici) della teoria dell'inflazione, riporta i risultati relativi alla trattazione quantistica delle perturbazioni della radiazione cosmica di fondo e illustra la questione delle verifiche sperimentali della teoria dell'inflazione, dedicando particolare rilievo al recente esperimento BICEP2.

Quantizzazione del campo elettromagnetico: la nascita del concetto di fotone

Scopo di questo studio è mostrare come, a partire dalle equazioni di Maxwell nella forma classica, sia possibile associare al campo elettromagnetico una funzione Hamiltoniana che risulti essere somma delle Hamiltoniane di un numero discreto di oscillatori armonici, ciascuno dei quali è associato ad un modo normale di vibrazione del campo. Tramite un procedimento puramente formale di quantizzazione, è possibile ricavare un'espressione per lo spettro del campo elettromagnetico e viene introdotto il concetto di fotone, inteso come quanto d'eccitazione di un singolo oscillatore. Si ricava la ben nota espressione U=ħω per l'energia del fotone e si deducono alcuni importanti aspetti, quali le fluttuazioni quantistiche del campo elettromagnetico e il problema legato alla divergenza dell'energia di vuoto fotonico, che aprono le porte all'elettrodinamica quantistica.

Realizzazione di un sistema di stabilizzazione per laser a stato solido, per la generazione di luce squeezed in esperimenti di interferometria.

Con questo lavoro di tesi si affrontano i primi accorgimenti sperimentali necessari alla realizzazione di un esperimento di ottica quantistica. L'attività svolta consiste nell'ottimizzazione dei parametri di un PLL (Phase-Locked Loop) che mantiene due laser agganciati in frequenza, e nella misura del rumore di fase presente nell'aggancio. Questa stabilizzazione costituisce il primo passo per la generazione di luce squeezed, associata a particolari stati del campo elettromagnetico. Grazie a quest'ultima, è possibile migliorare la sensibilità raggiungibile in esperimenti di interferometria di precisione, quali ad esempio quelli per la ricerca di onde gravitazionali. L'iniezione di luce squeezed costituirà infatti parte del prossimo upgrade dell'interferometro di Virgo.

La cinematica nel core dell'ammasso globulare NGC 6266 da osservazioni SINFONI

Lo studio delle regioni più interne degli ammassi globulari risulta fondamentale per la ricerca di buchi neri di massa intermedia (IMBH). La scoperta di tali oggetti avrebbe un impatto sostanziale su un gran numero di problemi astrofisici aperti, dalla formazione dei buchi neri supermassicci, all'interpretazione delle Ultra Luminous X-ray Sources, fino allo studio delle onde gravitazionali. Il presente lavoro di tesi si inserisce all'interno di un progetto osservativo mirato a studiare la dinamica interna degli ammassi globulari e volto ad investigare la presenza di IMBH nel centro di tali sistemi tramite l'analisi sistematica dei profili di dispersione di velocità e di rotazione. In questo elaborato presentiamo lo studio della cinematica del core dell'ammasso globulare NGC 6266, realizzato con lo spettrografo a campo integrale IFU-SINFONI, assistito da un sistema di ottiche adattive. Grazie all'utilizzo dell'ottica adattiva, SINFONI è in grado di realizzare osservazioni ad alta risoluzione spaziale e misurare la velocità radiale di stelle individuali anche nelle regioni più interne degli ammassi globulari, dove le misure spettroscopiche tradizionali falliscono a causa dell'elevato crowding stellare. Questo ci ha permesso di determinare il profilo centrale della dispersione di velocità di NGC 6266 dalla misura delle velocità radiali individuali di circa 400 stelle, localizzate negli 11 arcsec più interni dell'ammasso. Utilizzando dati complementari, provenienti da osservazioni realizzate con lo spettrografo multi-oggetto FLAMES, siamo stati in grado di costruire il profilo di dispersione di velocità di NGC 6266 fino ad una distanza radiale di 250 arcsec. Il profilo di dispersione di velocità osservato permette di escludere la presenza di un IMBH di massa superiore a 2500 masse solari e mostra un calo nella regione centrale, simile a quello rilevato in un numero crescente di ammassi globulari, che potrebbe indicare la presenza di anisotropia tangenziale.

A gauge theory for continuous spin particles

In this dissertation we explore the features of a Gauge Field Theory formulation for continuous spin particles (CSP). To make our discussion as self-contained as possible, we begin by introducing all the basics of Group Theory - and representation theory - which are necessary to understand where the CSP come from. We then apply what we learn from Group Theory to the study of the Lorentz and Poincaré groups, to the point where we are able to construct the CSP representation. Finally, after a brief review of the Higher-Spin formalism, through the Schwinger-Fronsdal actions, we enter the realm of CSP Field Theory. We study and explore all the local symmetries of the CSP action, as well as all of the nuances associated with the introduction of an enlarged spacetime, which is used to formulate the CSP action. We end our discussion by showing that the physical contents of the CSP action are precisely what we expected them to be, in comparison to our Group Theoretical approach.

Experimental study of the mechanical properties of light gauge cold-formed steels at elevated temperatures

In recent times, light gauge cold-formed steel sections have been used extensively as primary load bearing structural members in many applications in the building industry. Fire safety design of structures using such sections has therefore become more important. Deterioration of mechanical properties of yield stress and elasticity modulus is considered the most important factor affecting the performance of steel structures in fires. Hence there is a need to fully understand the mechanical properties of light gauge cold-formed steels at elevated temperatures. A research project based on experimental studies was therefore undertaken to investigate the deterioration of mechanical properties of light gauge cold-formed steels. Tensile coupon tests were undertaken to determine the mechanical properties of these steels made of both low and high strength steels and thicknesses of 0.60, 0.80 and 0.95 mm at temperatures ranging from 20 to 800ºC. Test results showed that the currently available reduction factors are unsafe to use in the fire safety design of cold-formed steel structures. Therefore new predictive equations were developed for the mechanical properties of yield strength and elasticity modulus at elevated temperatures. This paper presents the details of the experimental study, and the results including the developed equations. It also includes details of a stress-strain model for light gauge cold-formed steels at elevated temperatures.

Structural and fire behaviour of a new light gauge steel wall system

Fire design is an essential element of the overall design procedure of structural steel members and systems. Conventionally the fire rating of load-bearing stud wall systems made of light gauge steel frames (LSF) is based on approximate prescriptive methods developed on the basis of limited fire tests. This design is limited to standard wall configurations used by the industry. Increased fire rating is provided simply by adding more plasterboards to the stud walls. This is not an acceptable situation as it not only inhibits innovation and structural and cost efficiencies but also casts doubt over the fire safety of these light gauge steel stud wall systems. Hence a detailed fire research study into the performance and effectiveness of a recently developed innovative composite panel wall system was undertaken at Queensland University of Technology using both full scale fire tests and numerical studies. Experimental results of LSF walls using the new composite panels under axial compression load have shown the improvement in fire performance and fire resistance rating. Numerical analyses are currently being undertaken using the finite element program ABAQUS. Measured temperature profiles of the studs are used in the numerical models and the results are used to calibrate against full scale test results. The validated model will be used in a detailed parametric study with an aim to develop suitable design rules within the current cold-formed steel structures and fire design standards. This paper will present the results of experimental and numerical investigations into the structural and fire behaviour of light gauge steel stud walls protected by the new composite panel. It will demonstrate the improvements provided by the new composite panel system in comparison to traditional wall systems.

Full scale fire tests of a new light gauge steel floor-ceiling system

Cold-formed steel members can be assembled in various combinations to provide cost-efficient and safe light gauge floor systems for buildings. Such Light gauge Steel Framing (LSF) systems are widely accepted in industrial and commercial building construction. An example application is in floor-ceiling systems. Light gauge steel floor-ceiling systems must be designed to serve as fire compartment boundaries and provide adequate fire resistance. Fire-rated floor-ceiling assemblies formed with new materials and construction methodologies have been increasingly used in buildings. However, limited research has been undertaken in the past and hence a thorough understanding of their fire resistance behaviour is not available. Recently a new composite floor-ceiling system has been developed to provide higher fire rating under standard fire conditions. But its increased fire rating could not be determined using the currently available design methods. Therefore a research project was carried out to investigate its structural and fire resistance behaviour under standard fire conditions. In this research project full scale experimental tests of the new LSF floor system based on a composite ceiling unit were undertaken using a gas furnace at the Queensland University of Technology. Both the conventional and the new steel floor-ceiling systems were tested under structural and fire loads. Full scale fire tests provided a good understanding of the fire behaviour of the LSF floor-ceiling systems and confirmed the superior performance of the new composite system. This paper presents the details of this research into the structural and fire behaviour of light gauge steel floor systems protected by the new composite panel, and the results.

Improvements to the fire performance of light gauge steel floor systems

Light gauge steel frame (LSF) structures are increasingly used in commercial and residential buildings because of their non-combustibility, dimensional stability and ease of installation. A common application is in floor-ceiling systems. The LSF floor-ceiling systems must be designed to serve as fire compartment boundaries and provide adequate fire resistance. Fire-rated floor-ceiling assemblies have been increasingly used in buildings. However, limited research has been undertaken in the past and hence a thorough understanding of their fire resistance behaviour is not available. Recently a new composite floor-ceiling system has been developed to provide higher fire rating. But its increased fire rating could not be determined using the currently available design methods. Therefore a research project was conducted to investigate its structural and fire resistance behaviour under standard fire conditions. This paper presents the results of full scale experimental investigations into the structural and fire behaviour of the new LSF floor system protected by the composite ceiling unit. Both the conventional and the new floor systems were tested under structural and fire loads. It demonstrates the improvements provided by the new composite panel system in comparison to conventional floor systems. Numerical studies were also undertaken using the finite element program ABAQUS. Measured temperature profiles of floors were used in the numerical analyses and their results were compared with fire test results. Tests and numerical studies provided a good understanding of the fire behaviour of the LSF floor-ceiling systems and confirmed the superior performance of the new composite system.

Numerical modelling of light gauge cold-formed steel compression members subjected to distortional buckling at elevated temperatures

Fire safety design of building structures has received greater attention in recent times due to continuing loss of properties and lives during fires. However, fire performance of light gauge cold-formed steel structures is not well understood despite its increased usage in buildings. Cold-formed steel compression members are susceptible to various buckling modes such as local and distortional buckling and their ultimate strength behaviour is governed by these buckling modes. Therefore a research project based on experimental and numerical studies was undertaken to investigate the distortional buckling behaviour of light gauge cold-formed steel compression members under simulated fire conditions. Lipped channel sections with and without additional lips were selected with three thicknesses of 0.6, 0.8, and 0.95 mm and both low and high strength steels (G250 and G550 steels). More than 150 compression tests were undertaken first at ambient and elevated temperatures. Finite element models of the tested compression members were then developed by including the degradation of mechanical properties with increasing temperatures. Comparison of finite element analysis and experimental results showed that the developed finite element models were capable of simulating the distortional buckling and strength behaviour at ambient and elevated temperatures up to 800 °C. The validated model was used to determine the effects of mechanical properties, geometric imperfections and residual stresses on the distortional buckling behaviour and strength of cold-formed steel columns. This paper presents the details of the numerical study and the results. It demonstrated the importance of using accurate mechanical properties at elevated temperatures in order to obtain reliable strength characteristics of cold-formed steel columns under fire conditions.

Numerical modelling of non-load bearing light gauge cold-formed steel frame walls under fire conditions

Recently an innovative composite panel system was developed, where a thin insulation layer was used externally between two plasterboards to improve the fire performance of light gauge cold-formed steel frame walls. In this research, finite-element thermal models of both the traditional light gauge cold-formed steel frame wall panels with cavity insulation and the new light gauge cold-formed steel frame composite wall panels were developed to simulate their thermal behaviour under standard and realistic fire conditions. Suitable apparent thermal properties of gypsum plasterboard, insulation materials and steel were proposed and used. The developed models were then validated by comparing their results with available fire test results. This article presents the details of the developed finite-element models of small-scale non-load-bearing light gauge cold-formed steel frame wall panels and the results of the thermal analysis. It has been shown that accurate finite-element models can be used to simulate the thermal behaviour of small-scale light gauge cold-formed steel frame walls with varying configurations of insulations and plasterboards. The numerical results show that the use of cavity insulation was detrimental to the fire rating of light gauge cold-formed steel frame walls, while the use of external insulation offered superior thermal protection to them. The effects of real fire conditions are also presented.