Materia degenere: Fisica e applicazioni astrofisiche

Con la presente Tesi si vuole trattare lo Stato Degenere della materia. Nella prima parte si presenteranno le caratteristiche fisiche principali: limite di non degenerazione, differenze tra bosoni e fermioni, equazioni di stato e distribuzioni di velocità. Nella seconda parte si introdurranno i risvolti astrofisici più interessanti: pressione negli interni stellari, nane bianche, stelle di neutroni e Supernovae di tipo Ia.

La Controparte Ottica della "Black-Widow" nell'Ammasso Globulare M71

Le Millisecond Pulsar (MSP) sono stelle di neutroni magnetizzate e rapidamente rotanti, prodotte da fenomeni di accrescimento di massa e momento angolare da parte di una stella compagna. Secondo lo scenario canonico di formazione, è atteso che la stella compagna sia una nana bianca di He, privata del suo inviluppo esterno. Tuttavia, in un numero crescente di casi, la compagna della MSP è stata identificata in una stella di piccola massa, non degenere, ancora soggetta a fenomeni di perdita di massa. Queste MSP vengono comunemente chiamate ''Black-Widow'' (BW) e sono l'oggetto di studio di questa tesi. In particolare, l'obiettivo di questo lavoro è l'identificazione della controparte ottica della PSR J1953+1846A nell'ammasso globulare M71. Essa è classificata come BW, data la piccola massa della compagna (~0.032 Msun) e il segnale radio eclissato per circa il 20% dell'orbita. Tramite l'uso di osservazioni ad alta risoluzione con il telescopio spaziale Hubble, abbiamo identificato, in una posizione compatibile con la MSP, un debole oggetto, la cui variabilità mostra una periodicità coerente con quella del sistema binario, noto dalla banda radio. La struttura della curva di luce è indicativa della presenza di fenomeni di irraggiamento della superficie stellare esposta all'emissione della MSP e dalla sua analisi abbiamo stimato alcuni parametri fisici della compagna, come la temperatura superficiale ed il fattore di riempimento del lobo di Roche. Dal confronto tra le curve di luce X ed ottica, abbiamo inoltre trovato evidenze a favore della presenza di shocks nelle regioni intrabinarie. Abbiamo quindi evidenziato l'estrema similarità di questo sistema con l'unica compagna di BW attualmente nota in un ammasso globulare: PSR J1518+0204C. Infine, abbiamo effettuato uno studio preliminare delle controparti ottiche delle sorgenti X dell'ammasso. Abbiamo così identificato due AGN che, insieme ad altre due galassie, hanno permesso la determinazione del moto proprio assoluto delle stelle dell'ammasso.

Spettroscopia di assorbimento di raggi X: apparato per misure in condizioni di illuminazione ottica differenziale come primo passo verso una misura risolta in tempo della struttura locale di molecole metallo-organiche

Il continuo sviluppo negli ultimi anni di diverse declinazioni della spettroscopia d'assorbimento a raggi X (XAS) con radiazione di sincrotrone ha permesso la determinazione della struttura locale di campioni di ogni tipo, dagli elementi puri, ai più moderni materiali, indagando e approfondendo la conoscenza di quei meccanismi che conferiscono a questi ultimi delle proprietà innovative e, a volte, rivoluzionarie. Il vantaggio di questa tecnica è quello di poter ottenere informazioni sulla struttura del campione soprattutto a livello locale, rendendo relativamente agevole l'analisi di sistemi senza ordine a lungo raggio, quali per esempio i film molecolari. Nell'elaborato verrà preliminarmente illustrata la fenomenologia della XAS e l’interpretazione teorica dell'origine della struttura fine. Saranno successivamente descritte le innovative tecniche di misura che permettono di studiare i cambiamenti della struttura locale indotti dall'illuminazione con luce visibile, inclusi gli esperimenti di tipo pump probe. Un capitolo della tesi è interamente dedicato alla descrizione dei campioni studiati, di cui sono stati analizzati alcuni dati acquisiti in condizioni statiche. Quest'analisi è stata compiuta sfruttando anche dei cammini di multiplo scattering dedicando particolare attenzione alla trattazione del fattore di Debye Waller. Nella parte principale della tesi verranno descritti la progettazione ed il test di un apparato sperimentale per l'acquisizione di spettri differenziali da utilizzare alla beamline BM08 dell'European Synchrotron Radiation Facility di Grenoble. Saranno presentate principalmente le modifiche apportate al software d'acquisizione della linea e la progettazione di un sistema ottico d'eccitazione da montare nella camera sperimentale. Nella fase di studio dell'ottica è stato creato in LabView un simulatore basato sul metodo Monte Carlo, capace di prevedere il comportamento del sistema di lenti.

Cosmologia con missione spaziale "Euclid"

Nel 2020 verrà lanciata la missione spaziale Euclid per investigare la natura dell’energia oscura. Euclid otterrà un’immensa quantità di dati fotometrici e spettrometrici finalizzati, soprattutto, alla misura di lenti gravitazionali deboli e oscillazioni acustiche barioniche. In questa tesi daremo una descrizione generale dello strumento e della scienza che potrà essere fatta grazie ad esso. In particolare, nel capitolo 2 verrà fornita una introduzione alla cosmologia e verranno introdotti i vari parametri cosmologici che Euclid sarà in grado di vincolare. Nel capitolo 3 si farà un’analisi dei principali fenomeni fisici che Euclid indagherà. Nel capitolo 4 verrà data una panoramica del satellite, descrivendo in dettaglio gli obiettivi, cosa osserverà e come farà le osservazioni, e quali sono gli strumenti che lo compongono (satellite, telescopio, VIS e NISP). Infine, nel capitolo 5 verranno mostrati dei primi risultati preliminari, ottenuti in questa tesi, riguardanti il test di un programma che servirà per la misura della funzione di correlazione a due punti di Euclid.

Ottica geometrica e ondulatoria, e applicazioni astrofisiche

L’ottica è rivolta allo studio delle proprietà della luce e della sua propagazione attraverso i mezzi materiali. Le applicazioni tradizionali dell’ottica includono le lenti correttive per la vista e la formazione delle immagini nei telescopi e nei microscopi. Le applicazioni moderne comprendono l’immagazzinamento ed il recupero delle informazioni, come nei riproduttori di compact disc, nei lettori di codici a barre in uso nelle casse dei supermercati, o nella trasmissione di segnali attraverso cavi a fibre ottiche, che possono trasportare una maggior quantità di informazioni dei fili in rame. Nel primo capitolo si considereranno casi nei quali la luce viaggia in linea retta e incontra ostacoli la cui dimensione è molto maggiore della lunghezza d’onda della luce. Questo è il dominio dell’ottica geometrica, che include lo studio delle proprietà degli specchi e delle lenti. Il passaggio della luce attraverso fessure molto sottili o attorno a barriere molto strette, le cui dimensioni siano confrontabili con la lunghezza d’onda della luce (a conferma della natura ondulatoria della luce) fa parte dell’ottica fisica o anche detta ottica ondulatoria, di cui si parlerà nel secondo capitolo. Nel terzo capitolo, infine, verranno trattati due metodi che sono stati adoperati nel passato per misurare la maggior peculiarità che possiede la “particella” principe dell’ottica: la velocità della luce.

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.

Progetto di una sorgente a diodi laser con accoppiamento in fibra ottica per applicazioni biomedicali

Il progetto si riferisce in generale a sorgenti di radiazioni Laser in cui i fasci luminosi, provenienti da più emettitori, vengono combinati tramite diverse tecniche in un unico fascio in uscita per l'accoppiamento in una fibra ottica o guida d'onda.

Preparazione di un setup sperimentale e misure preliminari per la caratterizzazione in aria di SiPM da utilizzare per esperimenti di ricerca della materia oscura

Da numerose osservazioni astronomiche e cosmologiche si ipotizza che la Materia Oscura rappresenti gran parte della massa dell’Universo. La Materia Oscura ha la particolarita` di interagire solo gravitazionalmente o debolmente e si presenta come massiva e neutra. Tra i vari candidati al ruolo di particelle di Materia Oscura troviamo le WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Un’esperimento che si propone di rivelare in modo diretto le WIMP, mediante la loro diffusione elastica su nuclei di Xeno, `e il progetto XENON presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Le tecniche di rivelazione diretta prevedono l’utilizzo di rivelatori grandi, in questo caso a gas nobile, ultra puri e situati in ambienti a bassa radioattivita` per diminuire il rumore di fondo come ad esempio i neutroni indotti dai muoni provenienti dai raggi cosmici (laboratori sotterranei). A causa della sezione d’urto molto piccola necessario raggiungere basse energie di soglia. A tal proposito sono in fase di ricerca e sviluppo soluzioni che permettano di migliorare le prestazioni del rivelatore; ad esempio sono in fase di studio soluzioni tecnologiche che migliorino la raccolta di luce. Una di queste prevede l’utilizzo di foto rivelatori tipo SiPM da affiancare a normali PMT. Tali rivelatori devono essere in grado di funzionare a basse temperature (circa −100◦ C) e devono poter rivelare fotoni di lunghezza d’onda di 178 nm. Il mio lavoro di tesi si colloca nell’ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. Lo scopo di questo lavoro `e stato infatti la preparazione di un setup sperimentale per caratterizzare in aria fotorivelatori SiPM Hamamatsu (prototipo codice S12574) in grado di lavorare in Xeno liquido. Oltre all’installazione del setup mi sono occupato di scrivere un programma in C++ in grado di analizzare le forme d’onda acquisite in run preliminari e di misurare guadagno e dark count rate del rivelatore.

Emissione di sincrotrone ed applicazioni astrofisiche

Una particella carica che si muove in un campo magnetico e` accelerata dalla forza di Lorentz, e di conseguenza emette della radiazione. Quindi si escludo- no a priori i neutroni, che sebbene siano formati da particelle cariche (i quarks) sono globalmente neutre. Per accelerazione, si intende anche solo un’acce- lerazione centripeta di cui risentono le particelle cariche nel campo, sebbene non vi sia una variazione nel modulo della velocita`. In base alla velocita` delle particelle cariche che si muovono nel campo magnetico si possono distinguere radiazione di ciclotrone e di sincrotrone. La radiazione di ciclotrone e` presente quando le particelle cariche hanno velocita` non relativistiche o relativistiche, invece la radiazione di sincrotrone e` presente quando le particelle hanno velo- cita` ultra-relativistiche. Entrambe sono radiazioni che non necessitano dell’equilibrio termico del mez- zo, e sono radiazioni impulsive. Cio` che le distingue, a parte la velocita`, e` la tipologia di impulsi che si misurano. Infatti nel caso del sincrotrone, ove le par- ticelle sono ultra-relativistiche, gli impulsi arrivano molto ravvicinati fra loro. Nel caso del ciclotrone arrivano impulsi meno ravvicinati che coincidono con la frequenza di rotazione nel campo magnetico. In questo elaborato ci si soffermera` esclusivamente sull’emissione di sincro- trone e su alcune applicazioni astrofisiche di questo processo, cercando di dare una trattazione sufficiente, seppur scarna, ai fini di capire un processo fisico molto importante negli ambienti astrofisici.

Teorie della gravitazione f(R)

Tra tutti i fenomeni naturali osservabili, ne era presente uno particolarmente interessante e con il quale si aveva diretto contatto quotidianamente: la gravità. Dopo le innumerevoli osservazioni astronomiche effettuate da Galileo, fu Newton nel diciassettesimo secolo a capire che il moto dei pianeti era governato dalle medesime leggi che descrivono la caduta dei gravi sulla Terra e fu quindi lui che ci fornì una prima teoria della gravità con la quale si spiegarono le orbite dei pianeti con ottima precisione. Grazie al contributo di Einstein, la teoria si rinnovò e si arricchì, ma rimase pur sempre lontana dall' essere completa, tant' è che ancora oggi sono presenti molte domande a cui non siamo in grado di rispondere. In questo articolo ci occuperemo di tali quesiti, provando a formulare una teoria che sia in accordo con le attuali evidenze sperimentali. Nella prima parte, tratteremo le ragioni che hanno spinto i ricercatori ad introdurre le nuove teorie della gravità f(R); in particolare vedremo la peculiarità delle curve di rotazione delle galassie e perché ci sia il bisogno di tirare in ballo la materia oscura. Discuteremo anche alcuni problemi derivanti dall' evoluzione cosmica e altre incongruenze riguardanti la stabilità delle stelle di neutroni. In seguito mostreremo come ricavare l' equazione di Einstein partendo dai principi variazionali di Hamilton, e estenderemo tale ragionamento con lo scopo di ottenere un' equazione corrispondente ad una gravità modificata. Infine, verranno introdotte le teorie della gravità f(R), per mezzo delle quali cercheremo di discutere alcune possibili spiegazioni alle problematiche mosse nella parte introduttiva.

Misura di reazioni di fusione-evaporazione 16O + 12C. Risultati preliminari.

Questo lavoro di tesi è stato svolto nell'ambito del gruppo Nucl-ex di Bologna dell'INFN. L'esperimento specifico si inquadra nello studio di collisioni di nuclei con numero di neutroni N uguale al numero di protoni Z (nuclei pari-pari). In particolare si vuol analizzare una reazione centrale, cioè a piccoli parametri d'impatto, nella quale i nuclei del proiettile e del bersaglio fondono assieme formando un sistema unico eccitato (nucleo composto) che successivamente decade. Nel caso della misura descritta sono stati utilizzati un fascio di 16O ed un bersaglio di 12C ed il sistema fuso che si forma è 28Si. Per rivelare le particelle provenienti dal decadimento è stato impiegato l'apparato G.AR.F.I.E.L.D. (General Array for Fragment Identification and Emitted Light particles in Dissipative collisions) accoppiato al rivelatore denominato Ring Counter (RCo). La misura è stata realizzata presso i Laboratori Nazionali dell'INFN di Legnaro (Pd) in collaborazione tra le Università e le sezioni INFN di Bologna, Firenze, Napoli e Padova. Il fascio è stato accelerato mediante l'acceleratore elettrostatico Tandem XTU, mentre il bersaglio era fisso nel sistema di riferimento del laboratorio. La misura di collisione è stata realizzata per tre diverse energie cinetiche del fascio: 90.5 MeV, 110 MeV e 130 MeV. Il lavoro è consistito principalmente nella partecipazione a diverse fasi della misura, tra cui preparazione, presa dati ed alcune calibrazioni energetiche dei rivelatori, fino ad ottenere risultati preliminari sulle distribuzioni di frequenza dei frammenti rivelati, sulle molteplicità e sulle distribuzioni angolari di particelle leggere. L'analisi preliminare effettuata ha mostrato che il valore medio di carica del residuo di evaporazione {Definito come il frammento che rimane nello stato fondamentale alla fine della catena di decadimento.} diminuisce all'aumentare dell'energia a disposizione. In modo consistente aumenta, all'aumentare dell'energia, la molteplicità media delle delle particelle leggere. Le distribuzioni angolari di particelle leggere mostrano andamenti molto simili fra le diverse energie, ma poco compatibili con il fatto che, all'aumentare dell'energia del fascio, diminuisce il cono di emissione di particelle di decadimento, in quanto aumenta la velocità del sistema fuso.

Neutron radiation resistance of photomultipliers for the LUCID detector in the ATLAS experiment at LHC

Durante il Long Shutdown 1 di LHC sono stati cambiati i fotomoltiplicatori del rivelatore di luminosità LUCID di ATLAS. I due modelli candidati per la sostituzione sono stati sottoposti a test di resistenza alla radiazione di gamma e neutroni. In questa tesi si riportano i risultati delle misure di dark current, risposta spettrale, guadagno relativo e assoluto, prima e dopo l’irraggiamento con neutroni. L’unica differenza di rilievo riguarda un aumento della dark current, gli altri parametri non presentano variazioni entro la precisione delle misure. Non ci sono differenze sostanziali tra i due modelli per quanto riguarda la resistenza alle radiazioni.

Caratterizzazione idrogeologica dell'acquifero presente all'interno di cordoni litoranei antropizzati: casi studio di Marina Romea e Porto Corsini

Secondo l'Agenzia Europea dell'Ambiente una delle principali minacce per le risorse di acqua dolce della zone costiere italiane è l’intrusione salina. L’obiettivo di questa tesi magistrale è la caratterizzazione idrogeologica di una frazione dell’acquifero freatico costiero situato in due differenti corpi dunosi. L’indagine proseguita per cinque mesi ha evidenziano differenze tra un’area sottoposta a forte pressione antropica (Marina Romea) e un’area che mostra un relativo sviluppo naturale del sistema spiaggia-duna (Porto Corsini). La tecnica di campionamento utilizzata è il sistema a minifiltri (multi level samplers), metodologia innovativa che garantisce tempistiche di monitoraggio rapide e una campionatura multi-livello puntuale e precisa. La campagna di monitoraggio ha coinvolto misure di freatimetria, conduttività elettrica e analisi chimiche delle acque che hanno portato ad una loro classificazione geo-chimica. Dai risultati si evidenzia che l’acquifero è molto salinizzato, gli strati d’acqua dolce sono isolati in lenti superficiali e i tipi di acque presenti sono dominati da ioni sodio e cloro. Tra i due siti il più vulnerabile risulta essere Marina Romea per molti fattori: l’erosione costiera che assottiglia la fascia dunale adibita alla ricarica di acqua dolce, un’estensione spaziale della duna minore rispetto a Porto Corsini, la presenza di infrastrutture turistiche che hanno frazionato la duna, la vicinanza al canale di drenaggio che causa la risalita delle acque profonde saline, la presenza di specie arboree idro-esigenti che attingono e quindi assottigliano le lenti d’acqua dolce. Si propone di migliorare la qualità dell’acqua sotterranea con una migliore gestione del canale di drenaggio, sostituendo alcuni esemplari di pinacee con specie arbustive tipiche degli ambienti dunosi ed infine imponendo misure per il risparmio idrico durante la stagione turistica.

Ottica geometrica e ondulatoria, e applicazioni astrofisiche

Lo studio dell'ottica si incentra sull'indagine della natura della luce, delle sue proprietà e delle leggi che ne regolano i fenomeni fisici. Si possono, in complessivo, identificare tre branche: l'ottica geometrica, l'ottica ondulatoria e l'ottica quantistica. Quest'ultima esula dalla presente trattazione, che piuttosto si incentra sull'aspetto geometrico ed ondulatorio della radiazione luminosa. Con l'ottica geometrica viene identificato lo studio della luce come propagazione rettilinea di raggi luminosi. Essa include lo studio degli specchi e delle lenti, di particolare interesse per le applicazioni nella strumentazione astrofisica. All'interno del primo capitolo, dunque, sono enunciate le principali leggi che definiscono la propagazione rettilinea della luce, la sua riflessione contro una superficie o la sua rifrazione attraverso due mezzi differenti. L'ottica geometrica, in effettivo, consiste in un caso limite della più generica trattazione fornita dall'ottica ondulatoria. La condizione che demarca la possibilità di approssimare la trattazione nell'ambito geometrico, è definita dalla richiesta che la lunghezza d'onda della radiazione in esame sia di molto inferiore delle dimensioni lineari dell'ostacolo con cui interagisce. Qualora tale condizione non fosse soddisfatta, la considerazione della natura ondulatoria della luce non sarebbe più trascurabile. Nel secondo capitolo dell'elaborato, dunque, vengono presi in esame il modello ondulatorio della radiazione elettromagnetica ed alcuni fenomeni fisici che ne avvalorano la fondatezza; in particolare i fenomeni dell'interferenza e della diffrazione. Infine, nel terzo ed ultimo capitolo, sono affrontati alcuni esempi di applicazioni astrofisiche, sia nell'ambito dell'ottica geometrica che nell'ambito dell'ottica ondulatoria.

Evoluzione delle acque sotterranee a seguito di un incendio nella pineta costiera Ramazzotti

Ai nostri giorni le aree costiere risultano particolarmente sensibili perché sottoposte ad alcune fonti di stress, quali la salinizzazione degli acquiferi e la naturale ed antropica modificazione del territorio costiero. Questo lavoro indaga gli effetti dell’incendio del 2012 nella Pineta costiera di Lido di Dante (Ravenna) sull’acquifero costiero superficiale. Sono stati effettuati i rilievi in campo della tavola d’acqua, della conduttitivà elettrica e del pH nei mesi di novembre 2014 e luglio 2015. I campioni di acqua sono stati prelevati grazie alla tecnologia dei minifiltri, un sistema di campionamento multilivello molto preciso e rapido. Il campionamento comprende 3 transetti di minifiltri ubicati nella zona bruciata della pineta e un transetto di controllo nella zona verde della pineta, dove la vegetazione è intatta. Dall’elaborazione grafica di questi valori sono state ottenute delle isolinee rappresentative di valori soglia per le acque dolci, salmastre, salate, a pH 7.5 tipico delle acque meteoriche e a pH 8 tipico dell’acqua di mare. I valori di conduttività elettrica rapportati alla topografia e alla tavola d’acqua mostrano la formazione di lenti di acqua dolce nella zona dove la vegetazione è scomparsa a causa dell’incendio. Acque dolci assenti nella zona verde a causa della vegetazione e della sua attività evapotraspirativa. Le isolinee ottenute dal pH spiegano invece l’effetto delle ceneri dell’incendio dilavate dalle acque meteoriche e le differenze con la zona ancora ricoperta da vegetazione. I parametri analizzati risultano determinanti nella valutazione dello stato di salute della risorsa acquifera della costiera romagnola minacciata dalla salinizzazione e dalla modificazione del pH.