Computer e simulazioni quantistici

Lo studio di sistemi quantistici sta alla base di molti dei moderni sviluppi teorici e applicativi della Fisica. In questo scritto vogliamo studiare il funzionamento di simulatori e computer quantistici. I primi permettono di simulare l’evoluzione di un sistema quantistico in maniera controllata gli altri possono eseguire operazioni logiche su oggetti chiamati qubits. Andremo a studiare come ottenere un set universale di porte logiche quantistiche e le loro caratteristiche. Analizzeremo le differenze tra simulazione analogica(AQS) e digitale(DQS). Applicheremo quest’ultima a sistemi di particelle fermioniche e bosoniche in un reticolo.

Analisi distribuzioni degli elementi delle matrici di un controllo h-infinito

Lo studio di tesi che segue analizza un problema di controllo ottimo che ho sviluppato con la collaborazione dell'Ing. Stefano Varisco e della Dott.ssa Francesca Mincigrucci, presso la Ferrari Spa di Maranello. Si è trattato quindi di analizzare i dati di un controllo H-infinito; per eseguire ciò ho utilizzato i programmi di simulazione numerica Matlab e Simulink. Nel primo capitolo è presente la teoria dei sistemi di equazioni differenziali in forma di stato e ho analizzato le loro proprietà. Nel secondo capitolo, invece, ho introdotto la teoria del controllo automatico e in particolare il controllo ottimo. Nel terzo capitolo ho analizzato nello specifico il controllo che ho utilizzato per affrontare il problema richiesto che è il controllo H-infinito. Infine, nel quarto e ultimo capitolo ho specificato il modello che ho utilizzato e ho riportato l'implementazione numerica dell'algoritmo di controllo, e l'analisi dei dati di tale controllo.

Implementazione ed analisi di un framework basato su Cloud per la valutazione di algoritmi di data Distribution Management

Il Data Distribution Management (DDM) è un componente dello standard High Level Architecture. Il suo compito è quello di rilevare le sovrapposizioni tra update e subscription extent in modo efficiente. All'interno di questa tesi si discute la necessità di avere un framework e per quali motivi è stato implementato. Il testing di algoritmi per un confronto equo, librerie per facilitare la realizzazione di algoritmi, automatizzazione della fase di compilazione, sono motivi che sono stati fondamentali per iniziare la realizzazione framework. Il motivo portante è stato che esplorando articoli scientifici sul DDM e sui vari algoritmi si è notato che in ogni articolo si creavano dei dati appositi per fare dei test. L'obiettivo di questo framework è anche quello di riuscire a confrontare gli algoritmi con un insieme di dati coerente. Si è deciso di testare il framework sul Cloud per avere un confronto più affidabile tra esecuzioni di utenti diversi. Si sono presi in considerazione due dei servizi più utilizzati: Amazon AWS EC2 e Google App Engine. Sono stati mostrati i vantaggi e gli svantaggi dell'uno e dell'altro e il motivo per cui si è scelto di utilizzare Google App Engine. Si sono sviluppati quattro algoritmi: Brute Force, Binary Partition, Improved Sort, Interval Tree Matching. Sono stati svolti dei test sul tempo di esecuzione e sulla memoria di picco utilizzata. Dai risultati si evince che l'Interval Tree Matching e l'Improved Sort sono i più efficienti. Tutti i test sono stati svolti sulle versioni sequenziali degli algoritmi e che quindi ci può essere un riduzione nel tempo di esecuzione per l'algoritmo Interval Tree Matching.

Zerfallspionenspektroskopie leichter Hyperkerne in der Elektroproduktion

Am Mainzer Mikrotron können Lambda-Hyperkerne in (e,e'K^+)-Reaktionen erzeugt werden. Durch den Nachweis des erzeugten Kaons im KAOS-Spektrometer lassen sich Reaktionen markieren, bei denen ein Hyperon erzeugt wurde. Die Spektroskopie geladener Pionen, die aus schwachen Zweikörperzerfällen leichter Hyperkerne stammen, erlaubt es die Bindungsenergie des Hyperons im Kern mit hoher Präzision zu bestimmen. Neben der direkten Produktion von Hyperkernen ist auch die Erzeugung durch die Fragmentierung eines hoch angeregten Kontinuumszustands möglich. Dadurch können unterschiedliche Hyperkerne in einem Experiment untersucht werden. Für die Spektroskopie der Zerfallspionen stehen hochauflösende Magnetspektrometer zur Verfügung. Um die Grundzustandsmasse der Hyperkerne aus dem Pionimpuls zu berechnen, ist es erforderlich, dass das Hyperfragment vor dem Zerfall im Target abgebremst wird. Basierend auf dem bekannten Wirkungsquerschnitt der elementaren Kaon-Photoproduktion wurde eine Berechnung der zu erwartenden Ereignisrate vorgenommen. Es wurde eine Monte-Carlo-Simulation entwickelt, die den Fragmentierungsprozess und das Abbremsen der Hyperfragmente im Target beinhaltet. Diese nutzt ein statistisches Aufbruchsmodell zur Beschreibung der Fragmentierung. Dieser Ansatz ermöglicht für Wasserstoff-4-Lambda-Hyperkerne eine Vorhersage der zu erwartenden Zählrate an Zerfallspionen. In einem Pilotexperiment im Jahr 2011 wurde erstmalig an MAMI der Nachweis von Hadronen mit dem KAOS-Spektrometer unter einem Streuwinkel von 0° demonstriert, und koinzident dazu Pionen nachgewiesen. Es zeigte sich, dass bedingt durch die hohen Untergrundraten von Positronen in KAOS eine eindeutige Identifizierung von Hyperkernen in dieser Konfiguration nicht möglich war. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde das KAOS-Spektrometer so modifiziert, dass es als dedizierter Kaonenmarkierer fungierte. Zu diesem Zweck wurde ein Absorber aus Blei im Spektrometer montiert, in dem Positronen durch Schauerbildung abgestoppt werden. Die Auswirkung eines solchen Absorbers wurde in einem Strahltest untersucht. Eine Simulation basierend auf Geant4 wurde entwickelt mittels derer der Aufbau von Absorber und Detektoren optimiert wurde, und die Vorhersagen über die Auswirkung auf die Datenqualität ermöglichte. Zusätzlich wurden mit der Simulation individuelle Rückrechnungsmatrizen für Kaonen, Pionen und Protonen erzeugt, die die Wechselwirkung der Teilchen mit der Bleiwand beinhalteten, und somit eine Korrektur der Auswirkungen ermöglichen. Mit dem verbesserten Aufbau wurde 2012 eine Produktionsstrahlzeit durchgeführt, wobei erfolgreich Kaonen unter 0° Streuwinkel koninzident mit Pionen aus schwachen Zerfällen detektiert werden konnten. Dabei konnte im Impulsspektrum der Zerfallspionen eine Überhöhung mit einer Signifikanz, die einem p-Wert von 2,5 x 10^-4 entspricht, festgestellt werden. Diese Ereignisse können aufgrund ihres Impulses, den Zerfällen von Wasserstoff-4-Lambda-Hyperkernen zugeordnet werden, wobei die Anzahl detektierter Pionen konsistent mit der berechneten Ausbeute ist.

Spettroscopia neutronica

La tesi si propone di descivere in generale i processi di produzione di neutroni e le tecniche per l’indagine della materia mediante scattering di neutroni. Si elucidano le potenzialità e i vantaggi dell’utilizzo dei neutroni nell’indagine della materia, descrivendo in modo basilare i concetti teorici della diffusione dei neutroni e le tecniche di scattering, in modo particolare lo scattering a piccolo angolo. Di questa tecnica si riporta un esperimento realizzato presso l’Institut Laue-Langevin, il quale posside gli sturmenti tra i più sofisticati al mondo per lo small-angle neutron scattering.

Studio di proprieta ottiche di SiON con simulazioni software

Il concetto di cella a eterogiunzione in silicio ha portato allo sviluppo di dispositivi in grado di convertire oltre il 25% dello spettro solare. Il raggiungimento di alte efficienze di conversione è dovuto alla ricerca nel campo dei vari strati a base di silicio cristallino, amorfo e nanocristallino impiegati per formare le giunzioni. In particolare, lo studio e l’ottimizzazione dello strato di emettitore in silicio amorfo o nanocristallino insieme all’inserimento di uno strato amorfo intrinseco passivante, ha permesso la realizzazione di celle con alte tensioni di circuito aperto. Questi materiali contengono tuttavia dei difetti legati alla struttura amorfa, che compromettono le prestazioni dei dispositivi abbassandone la corrente di cortocircuito. Una possibile soluzione al problema può essere ottenuta formando composti che incorporano elementi come azoto e ossigeno e aumentando il grado di cristallinità del materiale con un processo di annealing. In questa tesi viene studiato l’energy gap di campioni di Silicon Oxynitride (SiOxNy:H) in funzione delle diverse condizioni di crescita e di annealing attraverso il programma di simulazione spettroscopica Optical.

Studio di produzione associata dei bosoni Higgs e Z in interazioni protone-protone a LHC

Uno dei cardini nel programma di ricerca attuale del Large Hadron Collider (LHC) al CERN è l’approfondimento della conoscenza relativa al bosone di Higgs e agli accoppiamenti di questa particella, di recente scoperta, con le altre del Modello Standard. Il prossimo Run di LHC sarà caratterizzato da collisioni di fasci di protoni con un'energia di 6.5 TeV ciascuno e renderà possibile l’acquisizione di grandi campioni di dati nei quali si prevede un aumento della statistica per tipologie di eventi che fino a questo momento è stato problematico studiare. Tra questi la produzione per Higgs-strahlung del bosone di Higgs associato al bosone vettore Z, che, essendo caratterizzata da una bassa sezione d’urto, è sempre stata considerata un processo molto difficile da investigare. Questa tesi fornisce uno studio preliminare della fattibilità di recuperare in modo efficiente questo canale, con l’obiettivo di individuare alcuni tagli che permettano di ripulire il grande fondo adronico prodotto nelle collisioni protone-protone a LHC. La presente analisi è stata effettuata su campioni di dati ottenuti tramite una generazione Monte Carlo e una simulazione parametrica del rivelatore ATLAS. Sebbene la statistica dei campioni MC sia ancora limitata e la simulazione della risposta del detector non sia dettagliata, le tecniche e i tagli utilizzati in questo lavoro di tesi potranno dare utili indicazioni per futuri studi più dettagliati e per l'investigazione di questo processo una volta che i dati del prossimo Run di LHC a √s=13 TeV saranno disponibili.

Simulazioni Montecarlo per un telescopio di neutrini sottomarino

Per il telescopio di neutrini ANTARES, sul quale è basata questa tesi, il principale problema nella ricostruzione delle tracce dei muoni provenienti dal basso, i quali possono essere generati solo da neutrini provenienti dall’emisfero sud che interagiscono nei pressi del rivelatore, è rappresentato dai muoni atmosferici (in particolare dagli sciami muonici). La luce Cherenkov da essi prodotta può essere utilizzata per ricostruire erroneamente tracce dirette verso l’alto (upgoing). Lo scopo di questa tesi è la valutazione, tramite un metodo Montecarlo, della probabilità che i muoni atmosferici vengano ricostruiti come muoni diretti verso l’alto. L’esposizione è organizzata in quattro capitoli: nei primi due vengono descritti la fisica dell’astronomia a neutrini e i principi di funzionamento di un telescopio di neutrini, con particolare attenzione al telescopio ANTARES.Nel terzo capitolo è riportata la descrizione del software utilizzato per simulare lo sciame di muoni atmosferici e la conseguente risposta del rivelatore. Infine, nel quarto capitolo, sono presentati i grafici eseguiti con ROOT che riassumono ed evidenziano i risultati della simulazione.

La valutazione del rischio di incidente rilevante per i depositi di fitosanitari

I prodotti fitosanitari sono sostanze attive e preparati, contenenti una o più sostanze attive, destinati a proteggere i vegetali, a favorire e regolare i loro processi vitali, a conservarli, a eliminare le parti non necessarie, a frenare o evitare un loro indesiderato accrescimento, ad eliminare le piante indesiderate. Il prodotto fitosanitario è composto normalmente da tre tipologie di sostanze: sostanza attiva, coadiuvante e coformulante. Le sostanze attive rappresentano la parte del prodotto fitosanitario che serve a combattere l’avversità che si vuole controllare, cioè la sostanza tossica che, a seconda della pericolosità e della concentrazione presente nella formulazione, concorre a determinare la classe di tossicità e quindi di pericolosità del prodotto. Gli stabilimenti che detengono fitosanitari sono suddivisi in depositi e siti produttivi. Secondo la classificazione dell’ISPRA, i depositi di fitosanitari costituiscono una delle 15 categorie di attività a rischio di incidente rilevante, mentre, i siti produttivi rientrano nella categoria degli stabilimenti chimici e/o petrolchimici. Il presente lavoro di tesi ha riguardato la valutazione del rischio di incidente rilevante per i depositi di fitosanitari, con particolare attenzione al rischio associato alla produzione di composti tossici a seguito di scenari incidentali di incendio. È stata in primo luogo effettuata una ricerca approfondita finalizzata a comprendere che cosa sono i prodotti fitosanitari, a quale scopo servono e quali sono i rischi ad essi associati. Successivamente, è stato effettuato un approfondimento delle norme a cui i siti che producono e detengono fitosanitari sono soggetti. È stato quindi effettuato un censimento per individuare quali e quanti sono i depositi e i siti di produzione di prodotti fitosanitari suscettibili di causare incidenti rilevanti in Italia. Si è poi proceduto all’analisi storica sulle banche dati MHIDAS, E-MARS ed ARIA, al fine di individuare gli eventi incidentali che hanno interessato depositi e siti produttivi di fitosanitari. Successivamente, si è analizzato il Regolamento CPR-15, quale metodo raccomandato dal ministero olandese VROM (Ministerie van Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieu) per la valutazione del rischio associato a depositi di fitosanitari. Come applicazione della metodologia per la valutazione del rischio descritta dal Regolamento CPR 15, è stata effettuata la modellazione di uno scenario di incendio in un deposito reale di fitosanitari attraverso il Warehouse Model, implementato nel software PHAST 6.54. La simulazione ha portato a definire l’estensione delle aree di danno associate alla dispersione dei fumi tossici prodotti dall’incendio.

Un'applicazione iOS per la gestione delle designazioni arbitrali

L’obiettivo della tesi è quello di sviluppare un’applicazione mobile per iOS al fine di creare un servizio all’utente che semplifichi il processo di consultazione della designazione della gara. Ho iniziato la mia esperienza arbitrale nell’Ottobre del 2008, quando per curiosità mi sono iscritto al corso gratuito organizzato dalla sezione di Bologna; da quel momento fare l’arbitro è diventata una passione. L’idea di sviluppare un’applicazione mobile è nata nel momento in cui ho riscontrato difficoltà, insieme ai miei colleghi, nel consultare il portale Web ogni qualvolta si presentasse la necessità di visualizzare la designazione arbitrale. In mancanza di un’applicazione mobile che permettesse l’accesso al portale Web dell’associazione, denominato Sinfonia 4 You, ho preso in considerazione la possibilità di sviluppare questo servizio. Per rendere concreta l’idea, ho avuto bisogno del supporto informatico dell’Associazione Italiana Arbitri. Nel corso della mia carriera da arbitro, ho avuto modo di conoscere i responsabili informatici nazionali dell’associazione, così da renderli partecipi della mia idea. Intuendo le potenzialita` del lavoro che volevo sviluppare, ho avuto la possibilità di essere invitato, attraverso il responsabile informatico della sezione di Bologna, nonché mio correlatore Luca Lipparini, di essere invitato a Coverciano (FI) per confrontarmi con il comitato informatico dell’associazione. All’incontro, ho avuto modo di far vedere una simulazione del prototipo che fino ad allora avevo sviluppato. Da quel momento, la collaborazione è stata concreta e fine ad un obiettivo comune. I responsabili hanno esposto la loro idea di volere già sviluppare un’applicazione mobile simile per le piattaforme Android e Windows Mobile. Tuttavia, la mia grande passione per il mondo Apple mi ha permesso di focalizzarmi sullo sviluppo dell’applicazione su iOS.

Progetto di riorganizzazione logistica dell'area inbound: Ottimizzazione dei trasporti da fornitori esterni

Progetto di ottimizzazione dei trasporti da fornitori esterni presso la Kverneland Group Ravenna con l'obiettivo di valutare, attraverso una simulazione, la possibilità di introdurre un maggior livello di strutturazione nella logistica inbound. Il lavoro contiene inoltre la valutazione della convenienza dell'azienda a terziarizzare la gestione dei trasporti a un'azienda esterna.

Simulazioni di impatti su componenti in materiale composito

Il seguente elaborato costituisce un approfondimento nel campo dei materiali compositi e della loro modellizzazione nel software, incominciato in seno all'attività curriculare di tirocinio da me svolta presso i laboratori universitari. Lo scopo è effettuare analisi numeriche su componenti e provini in materiale composito al fine di osservare, e conseguentemente valutare, gli effetti che diverse tipologie di carico, e in particolare diverse tipologie di impatti, provocano. Il mezzo con il quale ho potuto raggiungere tale obiettivo è stato Abaqus, un software di simulazione largamente utilizzato da aziende ed enti che operano nel settore aerospaziale, dell'automotive, ecc. Il funzionamento di Abaqus si basa sull'impiego di modelli agli elementi finiti, pertanto parte dell'introduzione è dedicata all'illustrazione della teoria degli elementi finiti. Inoltre sempre nella parte introduttiva è riportata una breve descrizione dei materiali compositi con un'analisi delle loro principali caratteristiche. Infatti la loro particolare natura rende difficoltoso creare nella pratica modelli funzionanti, e pertanto, al fine di ottenere risultati il più possibile coerenti alla realtà, è necessario avere una perfetta conoscenza delle loro proprietà.

Analisi del processo di estrusione di leghe leggere con il software Qform: validazione e previsione della microstruttura

Il gruppo di tecnologie e sistemi di lavorazione del Dipartimento di Ingegneria Industriale, D.I.N, dell’Università di Bologna ha compiuto in collaborazione con il Dipartimento IUL della TU di Dortmund, negli ultimi anni, due campagne sperimentali effettuando processi di estrusione di leghe di alluminio. Nella prima, utilizzando leghe AA6060 e il metodo della visioplasticità, sono stati raccolti dati volti a ricavare le condizioni di attrito di tali processi, tramite confronto con valori ottenuti in simulazioni agli elementi finiti. Nella seconda, utilizzando invece una lega AA6082, è stata valutata la microstruttura al fine di permettere, tramite programmi agli elementi finiti, la determinazione di correlazioni fra variabili che prevedano la dimensione della microstruttura della lega stessa a seguito di lavorazioni per deformazione plastica. Basandosi quindi su queste prove sperimentali e utilizzando il software “QuantorForm versione 7.2.4”, è stato svolto il lavoro di tesi finalizzato a conseguire i seguenti obiettivi: • individuare il modello di attrito che si sviluppa nei processi di estrusione analizzati per la lega di alluminio AA6060; • determinare i parametri di settaggio ottimale del software, confrontando i risultati ottenuti nelle simulazioni con quelli sperimentali; • determinare le curve che descrivono la dimensione di un grano cristallino di AA6082 in funzione della deformazione; • implementare come subroutine in Qform, tramite l’utilizzo del linguaggio “Lua”, il modello di microstruttura ottenuto.

Confronto di algoritmi per l'inseguimento della massima potenza per convertitori fotovoltaici

Modellazione di un impianto fotovoltaico connesso alla rete. Simulazione con software Simulink del funzionamento dell'intero sistema fotovoltaico e confronto delle prestazioni legate all'utilizzo degli algoritmi MPPT più comuni, quali Hill Climbing e Incremental Conductance.

La valutazione del rischio di incidente rilevante per le acque superficiali

L’elaborato di Tesi esamina gli strumenti proposti nella letteratura tecnica per effettuare un’analisi di rischio di incidente rilevante per le acque superficiali. In Italia, nel 1988, è stata introdotta una normativa apposita per la prevenzione dei grandi rischi industriali, che definisce l’indicente rilevante come: “un evento quale un’emissione, un incendio o un’esplosione di grande entità, dovuto a sviluppi incontrollati che si verificano durante l’attività di uno stabilimento e che dia luogo a un pericolo grave, immediato o differito, per la salute umana o per l’ambiente, all’interno o all’esterno dello stabilimento, e in cui intervengano una o più sostanze pericolose”. Tuttavia, in mancanza di metodologie comprensive per il calcolo del rischio ambientale di incidente rilevante, la normativa italiana richiede di valutare il rischio per l’ambiente solamente in maniera qualitativa. Vengono quindi analizzati in questo elaborato metodi semplificati di valutazione del rischio. Questi metodi sono descritti nel Rapporto ISPRA 2013, che elenca alcune metodologie formulate in ambito europeo e propone un nuovo metodo a indici, utilizzabile per una valutazione preliminare di analisi di rischio per i siti del territorio nazionale. In particolare, in questo elaborato vengono illustrati nel dettaglio: il metodo proposto dal predetto Rapporto, basato sull’Indice di Propensione al Rilascio di uno stabilimento e sulla sensibilità ambientale dei corpi idrici posti nelle sue immediate vicinanze; e un metodo a indici proposto dalle autorità svedesi, l’Environmental Accident Index, che fornisce un’analisi preliminare del rischio intrinseco di uno stabilimento. Vengono poi presi in rassegna software che implementino modelli di dispersione degli inquinanti in acqua, utilizzabili per la valutazione delle conseguenze ambientali di un rilascio che coinvolga un corpo idrico superficiale. Si analizza nel dettaglio ADIOS 2, software gratuito distribuito dalla National Oceanic and Atmospheric Administration, specifico per la modellazione della dispersione di idrocarburi in mari ed estuari. Per effettuare una validazione delle metodologie sopraelencate, se ne è considerata l’applicazione ad un caso di studio reale, costituito da un deposito costiero di prodotti petroliferi. Innanzitutto si è calcolato per il deposito l’indice EAI; si è poi applicato il metodo qualitativo proposto dal Rapporto ISPRA 2013 e si è effettuata la simulazione di un rilascio di gasolio in acqua con il software ADIOS 2. A conclusione del lavoro svolto è possibile affermare che l’indice EAI non è adatto agli stabilimenti a rischio di incidente rilevante, in quanto è pesato per stoccaggi di sostanze pericolose di piccole dimensioni. Invece, sia il metodo ad indici del Rapporto ISPRA che il software ADIOS 2 sono strumenti utili per una prima valutazione del rischio di contaminazione delle acque superficiali.