The Chameleon-Like Nature of Zwitterionic Micelles: Effect of Cation Binding

Addition of salts, especially perchlorates, to zwitterionic micelles of SB3-14, C(14)H(29)NMe(2)(+)(CH(2))(3)SO(3)(-), induces anionic character and uptake of H(3)O(+) by SB3-14 micelles. Thus, the addition of alkali metal perchlorates accelerates the acid hydrolysis of 2-(p-heptoxypheny1)-1,3-dioxolane, HPD, in the presence of SB3-14 micelles, which depends on the local proton concentration at the micelle surface. The addition of metal chlorides to solutions of such perchlorate-modified SB3-14 micelles decreases both the negative zeta potential of the micelles and the observed rate constant for acid hydrolysis of HPD. The effect of the monovalent cations Li(+), Na(+), and K(+) is smaller than that of the divalent cations Be(2+), Mg(2+), and Ca(2+), and much smaller than that of the trivalent cations Al(3+), La(3+), and Er(3+). The major factor responsible for this cation valence dependence of these effects is shown to be electrostatic in nature, reflecting the strong dependence of the micellar surface potential on the cation valence. The fact that the salt effects are not identical after correction for the electrostatic effects indicates that additional secondary nonelectrostatic effects may contribute as well.

Vortices in the extended Skyrme-Faddeev model

We construct analytical and numerical vortex solutions for an extended Skyrme-Faddeev model in a (3 + 1) dimensional Minkowski space-time. The extension is obtained by adding to the Lagrangian a quartic term, which is the square of the kinetic term, and a potential which breaks the SO(3) symmetry down to SO(2). The construction makes use of an ansatz, invariant under the joint action of the internal SO(2) and three commuting U(1) subgroups of the Poincare group, and which reduces the equations of motion to an ordinary differential equation for a profile function depending on the distance to the x(3) axis. The vortices have finite energy per unit length, and have waves propagating along them with the speed of light. The analytical vortices are obtained for a special choice of potentials, and the numerical ones are constructed using the successive over relaxation method for more general potentials. The spectrum of solutions is analyzed in detail, especially its dependence upon special combinations of coupling constants.

On the derivation of the terminal velocity for the falling magnet from dimensional analysis

Dimensional analysis was employed to develop a predictive formula for the terminal velocity for a magnet dropped down a metallic tube. In this particular application, the technique succeeded in generating the same formula theoretically derived and that has been published by others. The analysis thus presented suggests other applications that can be developed for motivating in the use of the technique.

Gruppi topologici e rivestimenti

Dopo una breve carrellata sui principali concetti della topologia algebrica, la tesi si concentra sui gruppi topologici e sul loro rivestimento. Si conclude infine con lo studio del rivestimento di SU(2) su SO(3,R).

Studio ed implementazione di algoritmi per la navigazione inerziale di velivoli autonomi ad ala rotante

I sistemi di navigazione inerziale, denominati INS, e quelli di navigazione inerziale assistita, ovvero che sfruttano anche sensori di tipo non inerziale come ad esempio il GPS, denominati in questo caso INS/GPS, hanno visto un forte incremento del loro utilizzo soprattutto negli ultimi anni. I filtri complementari sfruttano segnali in ingresso che presentano caratteristiche complementari in termine di banda. Con questo lavoro di tesi mi sono inserito nel contesto del progetto SHERPA (Smart collaboration between Humans and ground-aErial Robots for imProving rescuing activities in Alpine environments), un progetto europeo, coordinato dall'Università di Bologna, che prevede di mettere a punto una piattaforma robotica in grado di aiutare i soccorritori che operano in ambienti ostili, come quelli del soccorso alpino, le guardie forestali, la protezione civile. In particolare è prevista la possibilità di lanciare i droni direttamente da un elicottero di supporto, per cui potrebbe essere necessario effettuare l'avvio del sistema in volo. Ciò comporta che il sistema di navigazione dovrà essere in grado di convergere allo stato reale del sistema partendo da un grande errore iniziale, dal momento che la fase di inizializzazione funziona bene solo in condizioni di velivolo fermo. Si sono quindi ricercati, in special modo, schemi che garantissero la convergenza globale. Gli algoritmi implementati sono alla base della navigazione inerziale, assistita da GPS ed Optical Flow, della prima piattaforma aerea sviluppata per il progetto SHERPA, soprannominata DreamDroneOne, che include una grande varietà di hardware appositamente studiati per il progetto, come il laser scanner, la camera termica, ecc. Dopo una panoramica dell'architettura del sistema di Guida, Navigazione e Controllo (GNC) in cui mi sono inserito, si danno alcuni cenni sulle diverse terne di riferimento e trasformazioni, si descrivono i diversi sensori utilizzati per la navigazione, si introducono gli AHRS (Attitude Heading Rference System), per la determinazione del solo assetto sfruttando la IMU ed i magnetometri, si analizza l'AHRS basato su Extended Kalman Filter. Si analizzano, di seguito, un algoritmo non lineare per la stima dell'assetto molto recente, e il sistema INS/GPS basato su EKF, si presenta un filtro complementare molto recente per la stima di posizione ed assetto, si presenta un filtro complementare per la stima di posizione e velocità, si analizza inoltre l'uso di un predittore GPS. Infine viene presentata la piattaforma hardware utilizzata per l'implementazione e la validazione, si descrive il processo di prototipazione software nelle sue fasi e si mostrano i risultati sperimentali.

Efficient subsequence alignment of time series

Zeitreihen sind allgegenwärtig. Die Erfassung und Verarbeitung kontinuierlich gemessener Daten ist in allen Bereichen der Naturwissenschaften, Medizin und Finanzwelt vertreten. Das enorme Anwachsen aufgezeichneter Datenmengen, sei es durch automatisierte Monitoring-Systeme oder integrierte Sensoren, bedarf außerordentlich schneller Algorithmen in Theorie und Praxis. Infolgedessen beschäftigt sich diese Arbeit mit der effizienten Berechnung von Teilsequenzalignments. Komplexe Algorithmen wie z.B. Anomaliedetektion, Motivfabfrage oder die unüberwachte Extraktion von prototypischen Bausteinen in Zeitreihen machen exzessiven Gebrauch von diesen Alignments. Darin begründet sich der Bedarf nach schnellen Implementierungen. Diese Arbeit untergliedert sich in drei Ansätze, die sich dieser Herausforderung widmen. Das umfasst vier Alignierungsalgorithmen und ihre Parallelisierung auf CUDA-fähiger Hardware, einen Algorithmus zur Segmentierung von Datenströmen und eine einheitliche Behandlung von Liegruppen-wertigen Zeitreihen.rnrnDer erste Beitrag ist eine vollständige CUDA-Portierung der UCR-Suite, die weltführende Implementierung von Teilsequenzalignierung. Das umfasst ein neues Berechnungsschema zur Ermittlung lokaler Alignierungsgüten unter Verwendung z-normierten euklidischen Abstands, welches auf jeder parallelen Hardware mit Unterstützung für schnelle Fouriertransformation einsetzbar ist. Des Weiteren geben wir eine SIMT-verträgliche Umsetzung der Lower-Bound-Kaskade der UCR-Suite zur effizienten Berechnung lokaler Alignierungsgüten unter Dynamic Time Warping an. Beide CUDA-Implementierungen ermöglichen eine um ein bis zwei Größenordnungen schnellere Berechnung als etablierte Methoden.rnrnAls zweites untersuchen wir zwei Linearzeit-Approximierungen für das elastische Alignment von Teilsequenzen. Auf der einen Seite behandeln wir ein SIMT-verträgliches Relaxierungschema für Greedy DTW und seine effiziente CUDA-Parallelisierung. Auf der anderen Seite führen wir ein neues lokales Abstandsmaß ein, den Gliding Elastic Match (GEM), welches mit der gleichen asymptotischen Zeitkomplexität wie Greedy DTW berechnet werden kann, jedoch eine vollständige Relaxierung der Penalty-Matrix bietet. Weitere Verbesserungen umfassen Invarianz gegen Trends auf der Messachse und uniforme Skalierung auf der Zeitachse. Des Weiteren wird eine Erweiterung von GEM zur Multi-Shape-Segmentierung diskutiert und auf Bewegungsdaten evaluiert. Beide CUDA-Parallelisierung verzeichnen Laufzeitverbesserungen um bis zu zwei Größenordnungen.rnrnDie Behandlung von Zeitreihen beschränkt sich in der Literatur in der Regel auf reellwertige Messdaten. Der dritte Beitrag umfasst eine einheitliche Methode zur Behandlung von Liegruppen-wertigen Zeitreihen. Darauf aufbauend werden Distanzmaße auf der Rotationsgruppe SO(3) und auf der euklidischen Gruppe SE(3) behandelt. Des Weiteren werden speichereffiziente Darstellungen und gruppenkompatible Erweiterungen elastischer Maße diskutiert.

Cittadinanza scientifica e educazione al futuro: analisi di una sperimentazione didattica sui cambiamenti climatici in una classe quarta di liceo scientifico

Questo lavoro di tesi nasce per fornire un contributo originale alle ricerche già portate avanti dal gruppo di didattica della fisica volte a rispondere a tre principali esigenze evidenziate dai report europei: rendere la cittadinanza sempre più attiva e sensibile verso azioni di mitigazione e adattamento ai cambiamenti climatici, orientare i giovani verso professioni in settori denominati dall’acronimo STEM (Scienza, Tecnologia, Ingegneria e Matematica), colmare il divario tra le competenze possedute da chi entra nel mondo del lavoro e quelle richieste dalle aziende che operano in campo tecnologico per affrontare le sfide dello sviluppo e dell’innovazione. Per integrare le tre esigenze, il gruppo di ricerca ha avviato nell’ultimo anno una collaborazione con l’Area della Ricerca dell’Università di Bologna (ARIC) al fine di individuare modalità per fare entrare gli strumenti di progettazione noti come Project Cycle Management (PCM) e Goal Oriented Project Planning (GOPP) nelle scuole e sviluppare competenze progettuali a partire dall’analisi di tipo logico dei problemi in situazioni complesse. La collaborazione ha portato alla produzione di nuovi materiali sui cambiamenti climatici finalizzati a guidare gli studenti ad analizzare documenti di sintesi dei report dell’IPCC con tecniche di analisi per problemi e obiettivi tipiche del PCM e del GOPP e, quindi, a progettare azioni di mitigazione o adattamento. Il lavoro di tesi si colloca in questo contesto e si è concretizzato nell’analisi di una sperimentazione realizzata in una classe IV del Liceo Scientifico “A. Einstein” di Rimini tra aprile e maggio, 2015.

Lobotomy of Flux Compactifications

We provide the dictionary between four-dimensional gauged supergravity and type II compactifications on T6 with metric and gauge fluxes in the absence of supersymmetry breaking sources, such as branes and orientifold planes. Secondly, we prove that there is a unique isotropic compactification allowing for critical points. It corresponds to a type IIA background given by a product of two 3-tori with SO(3) twists and results in a unique theory (gauging) with a non-semisimple gauge algebra. Besides the known four AdS solutions surviving the orientifold projection to N = 4 induced by O6-planes, this theory contains a novel AdS solution that requires non-trivial orientifold-odd fluxes, hence being a genuine critical point of the N = 8 theory.

Fate of accidental symmetries of the relativistic hydrogen atom in a spherical cavity

The non-relativistic hydrogen atom enjoys an accidental SO(4) symmetry, that enlarges the rotational SO(3) symmetry, by extending the angular momentum algebra with the Runge–Lenz vector. In the relativistic hydrogen atom the accidental symmetry is partially lifted. Due to the Johnson–Lippmann operator, which commutes with the Dirac Hamiltonian, some degeneracy remains. When the non-relativistic hydrogen atom is put in a spherical cavity of radius R with perfectly reflecting Robin boundary conditions, characterized by a self-adjoint extension parameter γ, in general the accidental SO(4) symmetry is lifted. However, for R=(l+1)(l+2)a (where a is the Bohr radius and l is the orbital angular momentum) some degeneracy remains when γ=∞ or γ = 2/R. In the relativistic case, we consider the most general spherically and parity invariant boundary condition, which is characterized by a self-adjoint extension parameter. In this case, the remnant accidental symmetry is always lifted in a finite volume. We also investigate the accidental symmetry in the context of the Pauli equation, which sheds light on the proper non-relativistic treatment including spin. In that case, again some degeneracy remains for specific values of R and γ.

Kinematic geometry of mass-triangles and reduction of Schrödinger’s equation of three-body systems to partial differential equations solely defined on triangular parameters

Schrödinger’s equation of a three-body system is a linear partial differential equation (PDE) defined on the 9-dimensional configuration space, ℝ9, naturally equipped with Jacobi’s kinematic metric and with translational and rotational symmetries. The natural invariance of Schrödinger’s equation with respect to the translational symmetry enables us to reduce the configuration space to that of a 6-dimensional one, while that of the rotational symmetry provides the quantum mechanical version of angular momentum conservation. However, the problem of maximizing the use of rotational invariance so as to enable us to reduce Schrödinger’s equation to corresponding PDEs solely defined on triangular parameters—i.e., at the level of ℝ6/SO(3)—has never been adequately treated. This article describes the results on the orbital geometry and the harmonic analysis of (SO(3),ℝ6) which enable us to obtain such a reduction of Schrödinger’s equation of three-body systems to PDEs solely defined on triangular parameters.

Dynamical creation of entanglement by homodyne-mediated feedback

For two two-level atoms coupled to a single Bosonic mode that is driven and heavily damped, the steady state can be entangled by resonantly driving the system [S. Schneider and G. J. Milburn, Phys. Rev. A 65, 042107 (2002)]. We present a scheme to significantly increase the steady-state entanglement by using homodyne-mediated feedback, in which the Bosonic mode is that of an electromagnetic cavity, the output of which is measured and the resulting homodyne photocurrent is used to modulate the field driving the qubits. Such feedback can increase the nonlinear response to both the decoherence process of the two-qubit system and the coherent evolution of individual qubits. We present the properties of the entangled states using the SO(3) Q function.

Learning and accepting quantum physics. Re-analysis of a teaching proposal

Nella tesi è analizzata nel dettaglio una proposta didattica sulla Fisica Quantistica elaborata dal gruppo di ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Bologna, in collaborazione con il gruppo di ricerca in Fisica Teorica e con ricercatori del CNR di Bologna. La proposta è stata sperimentata in diverse classi V di Liceo scientifico e dalle sperimentazioni sono emersi casi significativi di studenti che non sono riusciti ad accettare la teoria quantistica come descrizione convincente ad affidabile della realtà fisica (casi di non accettazione), nonostante sembrassero aver capito la maggior parte degli argomenti e essersi ‘appropriati’ del percorso per come gli era stato proposto. Da questa evidenza sono state formulate due domande di ricerca: (1) qual è la natura di questa non accettazione? Rispecchia una presa di posizione epistemologica o è espressione di una mancanza di comprensione profonda? (2) Nel secondo caso, è possibile individuare precisi meccanismi cognitivi che possono ostacolare o facilitare l’accettazione della fisica quantistica? L’analisi di interviste individuali degli studenti ha permesso di mettere in luce tre principali esigenze cognitive (cognitive needs) che sembrano essere coinvolte nell’accettazione e nell’apprendimento della fisica quantistica: le esigenze di visualizzabilità, comparabilità e di ‘realtà’. I ‘cognitive needs’ sono stati quindi utilizzati come strumenti di analisi delle diverse proposte didattiche in letteratura e del percorso di Bologna, al fine di metterne in luce le criticità. Sono state infine avanzate alcune proposte per un suo miglioramento.