Numerical and Analytical Methods for Laser-Plasma Acceleration Physics

Theories and numerical modeling are fundamental tools for understanding, optimizing and designing present and future laser-plasma accelerators (LPAs). Laser evolution and plasma wave excitation in a LPA driven by a weakly relativistically intense, short-pulse laser propagating in a preformed parabolic plasma channel, is studied analytically in 3D including the effects of pulse steepening and energy depletion. At higher laser intensities, the process of electron self-injection in the nonlinear bubble wake regime is studied by means of fully self-consistent Particle-in-Cell simulations. Considering a non-evolving laser driver propagating with a prescribed velocity, the geometrical properties of the non-evolving bubble wake are studied. For a range of parameters of interest for laser plasma acceleration, The dependence of the threshold for self-injection in the non-evolving wake on laser intensity and wake velocity is characterized. Due to the nonlinear and complex nature of the Physics involved, computationally challenging numerical simulations are required to model laser-plasma accelerators operating at relativistic laser intensities. The numerical and computational optimizations, that combined in the codes INF&RNO and INF&RNO/quasi-static give the possibility to accurately model multi-GeV laser wakefield acceleration stages with present supercomputing architectures, are discussed. The PIC code jasmine, capable of efficiently running laser-plasma simulations on Graphics Processing Units (GPUs) clusters, is presented. GPUs deliver exceptional performance to PIC codes, but the core algorithms had to be redesigned for satisfying the constraints imposed by the intrinsic parallelism of the architecture. The simulation campaigns, run with the code jasmine for modeling the recent LPA experiments with the INFN-FLAME and CNR-ILIL laser systems, are also presented.

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.

Test der Speziellen Relativitätstheorie mittels Laserspektroskopie an relativistischen 7 Li +-Ionen am ESR

Die Invarianz physikalischer Gesetze unter Lorentztransformationen ist eines der fundamentalen Postulate der modernen Physik und alle Theorien der grundlegenden Wechselwirkungen sind in kovarianter Form formuliert. Obwohl die Spezielle Relativitätstheorie (SRT) in einer Vielzahl von Experimenten mit hoher Genauigkeit überprüft und bestätigt wurde, sind aufgrund der weitreichenden Bedeutung dieses Postulats weitere verbesserte Tests von grundsätzlichem Interesse. Darüber hinaus weisen moderne Ansätze zur Vereinheitlichung der Gravitation mit den anderen Wechselwirkungen auf eine mögliche Verletzung der Lorentzinvarianz hin. In diesem Zusammenhang spielen Ives-Stilwell Experimente zum Test der Zeitdilatation in der SRT eine bedeutende Rolle. Dabei wird die hochauflösende Laserspektroskopie eingesetzt, um die Gültigkeit der relativistischen Dopplerformel – und damit des Zeitdilatationsfaktors γ – an relativistischen Teilchenstrahlen zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Ives-Stilwell Experiment an 7Li+-Ionen, die bei einer Geschwindigkeit von 34 % der Lichtgeschwindigkeit im Experimentierspeicherring (ESR) des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung gespeichert waren, durchgeführt. Unter Verwendung des 1s2s3S1→ 1s2p3P2-Übergangs wurde sowohl Λ-Spektroskopie als auch Sättigungsspektroskopie betrieben. Durch die computergestützte Analyse des Fluoreszenznachweises und unter Verwendung optimierter Kantenfilter für den Nachweis konnte das Signal zu Rauschverhältnis entscheidend verbessert und unter Einsatz eines zusätzlichen Pumplasers erstmals ein Sättigungssignal beobachtet werden. Die Frequenzstabilität der beiden verwendeten Lasersysteme wurde mit Hilfe eines Frequenzkamms spezifiziert, um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erreichen. Die aus den Strahlzeiten gewonnen Daten wurden im Rahmen der Robertson-Mansouri-Sexl-Testtheorie (RMS) und der Standard Model Extension (SME) interpretiert und entsprechende Obergrenzen für die relevanten Testparameter der jeweiligen Theorie bestimmt. Die Obergrenze für den Testparameter α der RMS-Theorie konnte gegenüber den früheren Messungen bei 6,4 % der Lichtgeschwindigkeit am Testspeicherring (TSR) des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg um einen Faktor 4 verbessert werden.

Numerical precision calculations for LHC physics

In dieser Arbeit stelle ich Aspekte zu QCD Berechnungen vor, welche eng verknüpft sind mit der numerischen Auswertung von NLO QCD Amplituden, speziell der entsprechenden Einschleifenbeiträge, und der effizienten Berechnung von damit verbundenen Beschleunigerobservablen. Zwei Themen haben sich in der vorliegenden Arbeit dabei herauskristallisiert, welche den Hauptteil der Arbeit konstituieren. Ein großer Teil konzentriert sich dabei auf das gruppentheoretische Verhalten von Einschleifenamplituden in QCD, um einen Weg zu finden die assoziierten Farbfreiheitsgrade korrekt und effizient zu behandeln. Zu diesem Zweck wird eine neue Herangehensweise eingeführt welche benutzt werden kann, um farbgeordnete Einschleifenpartialamplituden mit mehreren Quark-Antiquark Paaren durch Shufflesummation über zyklisch geordnete primitive Einschleifenamplituden auszudrücken. Ein zweiter großer Teil konzentriert sich auf die lokale Subtraktion von zu Divergenzen führenden Poltermen in primitiven Einschleifenamplituden. Hierbei wurde im Speziellen eine Methode entwickelt, um die primitiven Einchleifenamplituden lokal zu renormieren, welche lokale UV Counterterme und effiziente rekursive Routinen benutzt. Zusammen mit geeigneten lokalen soften und kollinearen Subtraktionstermen wird die Subtraktionsmethode dadurch auf den virtuellen Teil in der Berechnung von NLO Observablen erweitert, was die voll numerische Auswertung der Einschleifenintegrale in den virtuellen Beiträgen der NLO Observablen ermöglicht. Die Methode wurde schließlich erfolgreich auf die Berechnung von NLO Jetraten in Elektron-Positron Annihilation im farbführenden Limes angewandt.

Monoidal categories for the physics of integrable models

Scopo di questa tesi é di evidenziare le connessioni tra le categorie monoidali, l'equazione di Yang-Baxter e l’integrabilità di alcuni modelli. Oggetto prinacipale del nostro lavoro é stato il monoide di Frobenius e come sia connesso alle C∗-algebre. In questo contesto la totalità delle dimostrazioni sfruttano la strumentazione dell'algebra diagrammatica. Nel corso del lavoro di tesi sono state riprodotte tali dimostrazioni tramite il più familiare linguaggio dell’algebra multilineare allo scopo di rendere più fruibili questi risultati ad un raggio più ampio di potenziali lettori.

Coupling biomechanics to a cellular level model: An approach to patient-specific image driven multi-scale and multi-physics tumor simulation

Modeling of tumor growth has been performed according to various approaches addressing different biocomplexity levels and spatiotemporal scales. Mathematical treatments range from partial differential equation based diffusion models to rule-based cellular level simulators, aiming at both improving our quantitative understanding of the underlying biological processes and, in the mid- and long term, constructing reliable multi-scale predictive platforms to support patient-individualized treatment planning and optimization. The aim of this paper is to establish a multi-scale and multi-physics approach to tumor modeling taking into account both the cellular and the macroscopic mechanical level. Therefore, an already developed biomodel of clinical tumor growth and response to treatment is self-consistently coupled with a biomechanical model. Results are presented for the free growth case of the imageable component of an initially point-like glioblastoma multiforme tumor. The composite model leads to significant tumor shape corrections that are achieved through the utilization of environmental pressure information and the application of biomechanical principles. Using the ratio of smallest to largest moment of inertia of the tumor material to quantify the effect of our coupled approach, we have found a tumor shape correction of 20\% by coupling biomechanics to the cellular simulator as compared to a cellular simulation without preferred growth directions. We conclude that the integration of the two models provides additional morphological insight into realistic tumor growth behavior. Therefore, it might be used for the development of an advanced oncosimulator focusing on tumor types for which morphology plays an important role in surgical and/or radio-therapeutic treatment planning.