MOND e TeVeS: teorie alternative all'ipotesi di materia oscura

In questa tesi descriviamo due teorie, la MOND e la TeVeS, che si pongono come alternativa all’ipotesi dell’esistenza della materia oscura. Seguendo l’ordine storico degli eventi, nel primo capitolo presentiamo i dati sperimentali e le considerazioni teoriche che hanno convinto gli scienziati del ’900 che la massa osservata nell’Universo sia minore della massa dinamica inferita dalla fisica newtoniana e dalla Relatività Generale. Il primo tentativo di risolvere questo problema è consistito nell’ipotizzare l’esistenza di una materia non ancora osservata, divenuta nota come “materia oscura”. Affrontando le questioni sollevate dalle curve di rotazione delle galassie a spirale, dalla relazione di Tully-Fisher, dalla legge di Freeman e dalle fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo, vedremo come questa ipotesi si sia evoluta per tenere conto dei risultati sperimentali, a partire dal modello della sfera isoterma fino al modello ΛCDM, e i problemi che essa non risolve. Nel secondo capitolo descriviamo la MOND, una modifica della dinamica newtoniana nata con l’obiettivo di ridurre la quantità di materia oscura necessaria per descrivere l’Universo. Il problema della massa nascosta può, infatti, essere dovuto a un’incompleta comprensione delle leggi della fisica e, confrontando la MOND con i dati sperimentali presentati nel primo capitolo, vedremo come essa riesca a descrivere la dinamica su scale galattiche ed extragalattiche. Concluderemo il capitolo mostrando una densità di lagrangiana capace di riprodurre la formula fenomenologica della MOND. Per affrontare le questioni cosmologiche è necessario disporre di una teoria relativistica che recuperi la MOND nel limite di campo debole. Nel terzo capitolo trattiamo quindi la TeVeS, riportando le azioni che permettono di derivare le equazioni dei campi di tale teoria. Dopo averne studiato i limiti relativistici e non relativistici, accenneremo a come essa permetta di estendere il paradigma MOND in campo cosmologico.

Analisi statistica sull'esposizione media di operatori di radiologia interventistica

Questo lavoro si pone l'obiettivo di fornire stime della dose efficace annua e della dose al cristallino annua per operatori di radiologia interventistica. Ci si concentra inoltre sulla dose al cristallino vista la recente direttiva EURATOM che dovrà essere recepita dalla normativa italiana entro febbbraio 2018. Ci si è occupati di una equipe di tre medici radiologi operanti presso il reparto di Neuroradiologia dell'Ospedale Bellaria di Bologna che lavora principalmente con un angiografo biplanare. Il lavoro sperimentale ha avuto inizio delineando il campo di radiazione presente nella sala operatoria ed in particolare, nei pressi del primo medico operatore che è risultato essere quello più esposto alle radiazioni. Il campo di radiazione è stato definito tramite misurazioni con camera a ionizzazzione utilizzando dei fantocci in PMMA simulanti un paziente. Determinati i valori del campo di radiazione e stabiliti alcuni parametri fissi si è cercato un parametro (possibilmente registrato dalla macchina) che permettesse una correlazione tra il carico di lavoro degli operatori e la dose da essi ricevuta in modo da ricavare stime sul lungo periodo. Questo è stato individuato nel DAP totale (registrato automaticamente dopo ogni intervento e presenti nei report) grazie alla presenza di mappe isokerma fornite dalla ditta costruttrice dell'angiografo. Tali mappe forniscono una relazione tra Kerma e DAP al variare di alcuni parametri di macchina. Affinchè fosse possibile utilizzare le mappe isokerma ne è stata necessaria la verifica tramite ulteriori misure sperimentali (nelle stesse condizioni operative definite nelle mappe). Effettuata la verifica si è determinato il carico di lavoro degli operatori per quattro mesi, assunto come periodo sufficientemente lungo per una stima sulla dose assorbita annua. Combinando i carichi di lavoro con i valori di dose assorbita rilevati si sono ottenute le stime obiettivo della tesi che vengono discusse sotto vari aspetti.

Studio della formazione di particelle ultrafini in una stazione di fondo della pianura padana e relazione con parametri meteorologici.

In questo elaborato sono state analizzate le distribuzioni dimensionali degli aerosol misurate nella stazione meteorologica di San Pietro Capofiume relative al periodo compreso tra marzo 2002 e ottobre 2013, focalizzando l’attenzione sugli eventi di nucleazione, la crescita delle nuove particelle e la correlazione del fenomeno con i parametri meteorologici del vento, della pioggia, della temperatura e con i dati relativi alla radiazione solare. Le osservazioni del particolato sono state effettuate con un sistema DMPS (Differential Mobility Particle Sizer), che rileva particelle di diametro compreso tra 3 e 660 nm. Si è notato che la formazione delle particelle di diametro compreso tra 3 e 10 nm e 10 e 20 nm dipende fortemente dalla radiazione solare: ad un massimo della radiazione, corrisponde mediamente un aumento della concentrazione delle particelle. Dal confronto delle temperature medie mensili (massime e minime) con la concentrazione delle particelle di diametro compreso tra 100 e 300 nm e 300 e 700 nm, si è visto che all’aumento delle temperature corrisponde una diminuzione della concentrazione delle particelle. Per quanto riguarda il confronto della concentrazione delle particelle con la direzione e la velocità del vento, non si è notata alcuna relazione. L’unico particolare che si è notato è che durante la primavera e l’estate si nota un aumento della concentrazione delle particelle con diametro compreso tra 3 e 10 nm associate a venti provenienti dai quadranti orientali. Poiché le precipitazioni rimuovono gli aerosol dall’atmosfera causando repentini cali nella loro concentrazione, per verificare che i risultati ottenuti non fossero alterati da questi eventi, abbiamo ripetuto tutte le analisi di correlazione con le variabili meteorologiche escludendo i giorni con precipitazione superiore o uguale ad 1 mm. Tuttavia i risultati sono rimasti invariati.

Ottimizzazione di un sistema di calcolo Voxel dosimetry e implementazione di grandezze radiobiologiche per MRT

Il presente lavoro di tesi nasce in seguito all’esperienza di tirocinio svolta presso l’Arcispedale Santa Maria Nuova di Reggio Emilia. Fulcro di questo lavoro è lo sviluppo di un sistema di pianificazione della dose per il trattamento dei pazienti sottoposti a Molecular Radionuclide Therapy (MRT). Presso tale struttura ospedaliera è già stato sviluppato uno strumento che si appoggia all’ambiente di lavoro Matlab per il calcolo dosimetrico. Tale programma è chiamato VoxelMed. Si tratta di uno strumento di calcolo che lavora al così detto voxel-level, tecnica di sviluppo recente che permette il calcolo della dose assorbita all’interno di un paziente in modo più dettagliato rispetto ai metodi di calcolo basati unicamente sulla stima media per organo, tipicamente impiegati in dosimetria tradizionale. Parte del lavoro di tesi consiste nell’implementare nuove modalità di calcolo ed aggiungere ulteriori accorgimenti all’attuale versione di VoxelMed. In VoxelMed è stata poi integrata ex-novo una componente di calcolo di misure radiobiologiche, in particolare della BED. La dose assorbita non è infatti un parametro sufficiente per valutare gli effetti della radiazione sui tessuti, a parità di tipo ed energia della radiazione gli effetti possono essere molto variabili. La BED è il parametro che tiene conto della risposta del tessuto sano o cancerogeno alla radiazione. Parte del lavoro è stato svolto sperimentalmente, tramite misure con fantocci acquisiti o preparati ad hoc. In particolare si sono utilizzati diverse tipologie di fantocci, per effettuare protocolli di calibrazione dei sistemi di acquisizione, misure di curve di effetto di volume parziale e test finali di verifica. Per un ulteriore verifica delle prestazioni di calcolo si sono effettuate misurazioni su un gruppo di pazienti e si sono confrontati i risultati con quelli ottenuti dal software maggiormente utilizzato nella pratica clinica, OLINDA/EXM.

Caratterizzazione di transistor organici a effetto di campo come detector di raggi X

I semiconduttori organici sono alla base dell'elettronica organica, un campo di ricerca che negli ultimi anni ha coinvolto diversi gruppi di lavoro, sia a livello accademico che industriale. Diversi studi hanno portato all'idea di impiegare materiali di questo tipo come detector di raggi X, sfruttando la loro flessibilità meccanica, la facile fabbricazione di dispositivi su larga area e tramite tecniche a basso costo (es. stampa a getto di inchiostro) e le basse tensioni operative. In questa tesi in particolare si utilizzeranno degli OFET (Organic Field-Effect Transistor) a questo scopo, dimostrando la possibilità amplificare la sensibilità alla radiazione X e di pilotare le prestazioni del detector mediante l'applicazione della tensione all'elettrodo di gate. Presenteremo quindi uno studio sperimentale atto a caratterizzare elettricamente dei transistor realizzati con differenti semiconduttori organici, prima, durante e dopo l'esposizione a raggi X, in maniera da stimarne la sensibilità, le proprietà di conduzione intrinseche e la resistenza all'invecchiamento.

Studio preliminare della reazione di racemizzazione fotochimica di alchilidenossindoli

Argomento di questa tesi è lo studio della reazione di racemizzazione fotochimica di alcuni alchilidenossindoli. Si è tentato di sfruttare l’interazione tra i substrati studiati e la luce in campo sintetico come ad esempio la risoluzione cinetica dinamica. Si è trovata l’evidenza sperimentale che i substrati studiati racemizzano se esposti a radiazione UV-Vis. I risultati ottenuti dai test effettuati per capire il meccanismo che porta alla racemizzazone hanno evidenziato che l’intermedio di reazione non è un enolo.

Caratterizzazione in camera climatica dei rivelatori a scintillazione in corso di installazione a M.te Cimone per l’esperimento Gamma-Flash

Questa Tesi di Laurea è legata agli aspetti tecnologici dell'esperimento Gamma-Flash, progetto coordinato dall'Istituto Nazionale di Astrofisica finanziato dall'Agenzia Spaziale Italiana che ha lo scopo di studiare eventi altamente energetici che avvengono in atmosfera denominati Terrestial Gamma-ray Flashes (TGFs). Questi eventi hanno uno stretto legame con i fulmini che avvengono durante episodi temporaleschi. I fulmini producono particelle ionizzate ed elettroni che per effetto bremmstrahlung emettono radiazione in un ampio intervallo di energie da centinaia di keV a decine di MeV. Questo tipo di eventi è stato rivelato da numerose missioni da satellite fin dagli anni '90 (BATSE/CGRO) e successivamente con i satelliti RHESSI, AGILE, BeppoSAX e Fermi. Molto più rare sono le osservazioni di questi eventi da terra o da rivelatori posti su velivoli. Gamma-Flash ha lo scopo di realizzare strumentazione per la rivelazione di questi eventi da un osservatorio posto su M.te Cimone (2165m s.l.m) e su un aereo in grado di raggiungere quote di 8-10000m. L'esperimento viene effettuato attraverso rivelatori a scintillazione e con elettronica dedicata la cui risposta in energia dipende dalla temperatura di funzionamento. È quindi importante conoscere come il detector si comporta al variare della temperatura, che, soprattutto nell'esperimento terrestre, può variare di decine di gradi anche su tempi scala brevi. Scopo di questa tesi è stato quindi di caratterizzare uno dei rivelatori che saranno posti all'Osservatorio O. Vittori di M.te Cimone utilizzando una camera climatica che simula le condizioni di temperatura variabili e riscontrabili durante l'esperimento.

Progettazione dell'impianto di climatizzazione a servizio del Museo Nazionale della Resistenza di Milano per mezzo di simulazioni energetiche dinamiche

Il lavoro proposto si pone l’obiettivo di progettare l’impianto di climatizzazione del Museo Nazionale della Resistenza, sito in Milano, sulla base dei criteri di riduzione delle emissioni climalteranti e valorizzando l’utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili presenti nel territorio, nella fattispecie attraverso lo sfruttamento dell’acqua di falda e dell’energia solare. Il primo capitolo è dedicato alla descrizione del processo di dimensionamento effettuato ed ai criteri di progettazione adottati. Lo sfruttamento diretto dell’energia solare avviene attraverso un impianto fotovoltaico integrato alla struttura museale; nel secondo capitolo viene stimata la sua capacità di produzione elettrica annuale. Vengono quindi messi a confronto i risultati ottenuti, calcolati sia su base mensile in relazione alla norma UNI 10349, sia attraverso una simulazione energetica di tipo dinamico condotta su base oraria mediante l’utilizzo del software IES VE. Viene inoltre valutata la capacità della cella fotovoltaica nel convertire la radiazione incidente in energia elettrica ed analizzato il suo comportamento al variare delle condizioni operative. Nel terzo capitolo vengono studiati gli effetti dell’irraggiamento estivo sulle pareti opache del museo, valutando la capacità delle murature di ritardare l’onda di flusso termico. È inoltre effettuata una trattazione analitica per il calcolo dei parametri necessari a determinare il comportamento dinamico dell’involucro. Attraverso la simulazione dinamica è stato possibile stimare le richieste energetiche ed elettriche, estive e invernali, della struttura museale. La soluzione impiantistica proposta per la generazione di acqua calda e refrigerata, fa uso di gruppi polivalenti acqua-acqua con possibilità di condensare o evaporare con acqua di falda. Tale soluzione viene poi analizzata e confrontata con una più versatile, ma meno efficiente, una pompa di calore aria-acqua.

Statistiche di conteggio di fotoni: aspetti teorici e sperimentali

Il seguente elaborato si prefigge l’obiettivo di fornire una panoramica completa ed esau- stiva sullo studio delle statistiche di fotoconteggio, ricavando i fondamentali risultati di natura teorica e al contempo illustrando le procedure di determinazione sperimentale. Il principale risultato conseguibile in tale ambito è l’inequivocabile dimostrazione della natura quantizzata della luce, rendendo definitivamente superato l’alternativo model- lo semiclassico, in cui l’ipotesi di quantizzazione è limitata all’interazione radiazione- rilevatore, mentre la luce viene considerata interamente trattabile come onda. Se infatti entrambi gli approcci forniscono previsioni in accordo con le osservazioni sperimentali per quanto riguarda sorgenti coerenti e termiche, che producono rispettivamente distri- buzioni Poissoniane o Super-Poissoniane, il secondo modello non è in grado di motivare in alcun modo l’esistenza delle distribuzioni Sub-Poissoniane, caratterizzate matemati- camente da una varianza inferiore al valor medio di conteggi ̄n. Il primo capitolo è dedicato a ricavare la forma delle statistiche di fotoconteggio basan- dosi sul modello a fotoni, riportando le più rilevanti dimostrazioni matematiche; il secondo capitolo ha invece l’obiettivo di analizzare i risultati forniti dal modello semi- classico, rivelando la perfetta compatibilità con quelli ottenuti nel capitolo precedente per quanto riguarda sorgenti di tipo classico; nel terzo capitolo si illustra una serie di esperimenti svolti presso il ”Laboratorio di Ottica Quantistica dell’Istituto Nazionale di Ottica-CNR”, nel polo scientifico di Sesto Fiorentino, realizzati con l’obiettivo di confermare la validità delle conclusioni di natura teorica esposte nei primi due capitoli; infine il quarto capitolo si prefigge lo scopo di dare un breve accenno alle distribuzioni di tipo Sub-Poissiano, attraverso una breve trattazione matematica e illustrando alcune modalità di osservazione sperimentale.

Proprietà degli ammassi di galassie

Nello studio dell’universo su larga scala, piu` precisamente osservando come le galassie sono distribuite in esso, gli astronomi hanno potuto riscontrare che queste raramente si trovano isolate nello spazio. Sono infatti piu` frequentemente legate tra loro gravitazionalmente in gruppi o in ammassi di galassie. Il presente elaborato approfondisce le componenti, i criteri di classificazione e nello specifico le proprieta` che caratterizzano tali ammassi. In ultima analisi vengono presi in considerazione i principali processi di radiazione che hanno permesso di conoscere e studiare le strutture che definiscono questi sistemi.

Equazioni di stato della materia in astrofisica

Le equazioni di stato (EdS) sono relazioni che permettono di descrivere sistemi termodinamici all'equilibrio. Un esempio di questi sistemi sono i gas, che si possono dividere in gas perfetti e gas degeneri, che differiscono per importanti proprietà e caratteristiche fisiche. Le proprietà dei gas degeneri cambiano in base al tipo di particelle che li compongono, il comportamento di un gas degenere di Fermioni è molto diverso da quello di un gas degenere di Bosoni. Per lo studio e la descrizione dei gas degeneri di Fermioni entrano in gioco il principio di esclusione di Pauli ed il principio di inderteminazione di Heisenberg. Attraverso le EdS si possono descrivere gli interni stellari poiché per via delle alte temperature le stelle sono formate da gas completamente ionizzato. La pressione all'interno di una stella è data dalla somma tra la pressione di radiazione, la pressione elettronica e la pressione ionica, in base al tipo di gas elettronico che si ha ed alla temperatura interna la stella può essere formata da gas perfetto o gas degenere. Lo studio del regime di pressione interno per una stella si fa con il grafico densità-temperatura, in cui una stella viene rappresentata nel piano attraverso queste due grandezze. Si vede come le stelle di sequenza principale siano formate da gas perfetto mentre i corpi compatti come le nane bianche sono formati da gas completamente degenere. Attraverso le EdS ed il principio dell'equilibrio idrostatico si possono ricavare la temperatura interna per le stelle di sequenza principale e la relazione massa-raggio per le nane bianche.

Meccanismi di trasporto dell'energia in astrofisica

L’energia viene prodotta in ogni parte dell’universo attraverso numerosi processi, tra cui le reazioni termonucleari, e può essere trasportata attraverso tre meccanismi possibili: la conduzione, il trasporto radiativo e la convezione. La conduzione si basa sul trasporto di energia tramite elettroni, e diventa rilevante dal punto di vista astrofisico nel caso di materia degenere. Il trasporto radiativo, invece, utilizza come agente di trasporto il fotone ed è il meccanismo di trasporto principale nell’universo. La convezione, infine, si basa sul trasporto di energia e materia tramite celle di gas. In particolare, è possibile descrivere conduzione, convezione e trasporto radiativo analizzando la struttura stellare, in quanto negli interni stellari l’energia può essere trasportata con ognuno dei tre meccanismi, a seconda delle condizioni della stella. L’energia viene prodotta all’interno del nucleo tramite reazioni termonucleari e viene trasportata verso i gusci esterni più freddi. Il flusso di radiazione, quindi, dipende principalmente dal gradiente termico, senza il quale non si avrebbe trasporto di energia, ma sono rilevanti anche altri fattori, come l’opacità k. Nella seguente tesi verranno trattati i tre meccanismi di trasporto dell’energia in astrofisica , descrivendone le principali caratteristiche. Innanzitutto, per quanto riguarda la conduzione, si analizzerà la causa per cui questo meccanismo è trascurabile negli interni stellari e la condizione nella quale, invece, diventa rilevante. Si descriverà, poi, il trasporto radiativo, sia negli interni stellari sia nelle atmosfere stellari, tramite le equazioni del trasporto, con particolare attenzione all’opacità del mezzo. Infine, per la convezione, si affronterà l’espressione del flusso convettivo e il criterio di Schwarzschild, che definisce la condizione per cui una regione è o meno stabile alla convezione.

Caratteristiche principali dell'emissione di regioni HII

All'interno della tesi si parla dei processi che riguardano i meccanismi di emissione della radiazione da parte di regioni HII (o nebulose). Si inizia trattando il fenomeno della ionizzazione, passando per il modello della Sfera di Stromgren, fino ad arrivare ad un modello modificato di quest'ultimo. Il secondo capitolo tratta di meccanismi di emissione in riga, quindi righe di ricombinazione e righe prodotte dall'eccitazione collisionale. Viene dedicato anche un breve paragrafo alle righe prodotte dalle molecole. Nel terzo capitolo invece si affrontano i meccanismi che generano uno spettro continuo, quindi Bremsstrahlung e l'emissione di corpo grigio dovuta alla presenza di polvere. L'elaborato si conclude con un esempio pratico che dimostra l'importanza che rivestono le regioni HII: la conferma del modello di galassia a spirale della Via Lattea.

Una nuova formulazione semplificata per la soluzione del problema di Maxwell non omogeneo

Il problema di Maxwell canonico si suddivide nel problema di Maxwell omogeneo e nel problema di Maxwell non omogeneo, o della radiazione, a seconda che siano presenti le correnti impresse. Il problema della radiazione ci mostra come si può generare un’onda elettromagnetica. In questo elaborato si risolverà il problema di Maxwell non omogeneo utilizzando un metodo relativamente nuovo che sfrutta la funzione di Green e la funzione generalizzata tridimensionale di dirac. Tramite quest'ultima, vedremo come sarà possibile riscrivere l’elemento infinitesimo di corrente impressa.

Fotovoltaico di I^ e II^ generazione: differenze tecniche e vantaggi di installazione. Studio di un caso mediante software PVSyst

Le energie rinnovabili rappresentano il presente e allo stesso tempo il futuro della produzione elettrica mondiale. Produrre sempre più energia da fonti rinnovabili è una necessità condivisa da tutti i Paesi del mondo per cercare di dare un freno agli evidenti problemi climatici e alle continue minacce subite dall’ecosistema, che stanno condizionando il pianeta negli ultimi anni. Nel corso di questo elaborato ci si è concentrati soprattutto sul fotovoltaico, che a differenza delle altre fonti, essendo alimentato dall’energia solare è ben distribuito in quasi tutto il pianeta e nel corso degli ultimi anni ha avuto una crescita e una diffusione esponenziali in Italia e nel resto del mondo. La sempre crescente innovazione nel campo dei materiali utilizzati, permette ad oggi una maggiore scelta della tipologia di pannello da installare, sulla base dei vari fattori che possono influenzarne efficienza e rendimento. L’obiettivo finale è quello di avere tutti i dati necessari per effettuare l’analisi e il confronto tra le simulazioni di funzionamento di diverse tipologie di fotovoltaico, valutandone, oltre all’aspetto tecnico, anche la convenienza e i vantaggi in termini di rendimento. Durante lo sviluppo della tesi, le simulazioni sono state condotte prendendo come riferimento un capannone industriale ubicato nella stazione ferroviaria di Bologna Interporto, analizzando poi i dati mediante l’ausilio del software PVSyst. per confrontare i dati e i risultati ottenuti all’interno di un resoconto che evidenzi le maggiori differenze e la soluzione più vantaggiosa in termini di rendimento.