dipartimento di scienze fisiche rapporto di attività 2001

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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI
“FEDERICO II”
DIPARTIMENTO DI SCIENZE FISICHE
RAPPORTO DI ATTIVITÀ
2001
Complesso Universitario di Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 NAPOLI
Tel. 081 67.63.32 - Fax 081 67.63.52
RAPPORTO DI ATTIVITA’ 2001
2
INDICE
-
Introduzione
Informazioni Generali
Personale Docente e Ricercatore
Personale non Docente
Personale di altri Enti di Ricerca ed Ospiti
Strutture del Dipartimento
Dottorato di Ricerca in Fisica Fondamentale ed Applicata
Congressi organizzati da docenti del Dipartimento
Seminari
10
12
13
16
21
25
29
31
32
Attività di Ricerca
ASTROFISICA E FISICA DEI PLASMI
- Fisica Solare
43
(C. Marmolino, L.A. Smaldone)
- Fisica delle galassie e cosmologia osservativa
44
(M. Capaccioli, G. Longo)
- Data mining astronomico
48
(M. Capaccioli, G. Longo, L. Milano)
- Rivelazione di onde gravitazionali
49
(F. Acernese, F. Barone, E. Calloni, R. De Rosa, A. Eleuteri, L. Di Fiore, L. Milano, R. Tagliaferro)
- Diagnostica di fasi evolutive stellari
51
(F. Barone, R. De Rosa, L. Milano)
- Sensoristica ambientale
52
(F. Acernese, F. Barone, R. De Rosa, L. Milano)
- Fisica dei plasmi
54
(U. de Angelis, A. Forlani)
FISICA GENERALE
CIBERNETICA E INFORMATICA
- Metodi formali di specifica e di verifica
63
(M. Benerecetti, A. Peron)
- Intelligenza artificiale
63
(M. Benerecetti, G. Criscuolo, E. Minicozzi, G. Trautteur)
- Reti Neurali
63
(F. Lauria)
- Speech Processing e Intelligenza artificiale
65
(F. Cutugno)
- Computer Vision
65
(E. Catanzariti)
3
DIDATTICA DELLA FISICA
- Formazione insegnanti - Applicazioni degli elaboratori nella didattica - Innovazione 68
curricolare e metodologica, indirizzo e supporto dell’autonomia didattica fondamenti e
modalita’ della trasposizione didattica in fisica
EPISTEMOLOGIA E METODOLOGIA
- Calcolabilità effettiva e Leggi fisiche
75
(S. Guccione)
GEOFISICA
- Modellistica
76
(G. Giberti, G. Sartoris, G. Russo, T. Vanorio, S. Lorito)
- Geofisica applicata
79
(B. Di Fiore, R. Di Maio, T. Juliano, P. Mauriello, D. Patella, Z. Petrillo)
- Geofisica Nucleare
82
(L. Civetta)
- Sismologia
84
(E. Auger, L. Bernard, A. Bobbio, M. T. Bonagura, L. Boschi, P. Capuano, V. Convertito, L.
D’Auria, S. de Lorenzo, R. De Matteis, Emolo, G. Festa, P. Gasparini, A. Herrero, G. Iannaccone,
L. Improta, S. Nielsen, V. Nisii, R. Prevete, G. Russo, A. Zollo)
STORIA DELLA FISICA
- Ricostruzione della tradizione scientifica locale. Uso di tecnologie fisico- 87
sperimentali per l’acquisizione d’informazioni d’interesse storico e per la
classificazione degli strumenti scientifici. Apprendimento scientifico nei musei
(F. Bevacqua, A. Borrelli, F. Obrizzo, R. Pisano, F.M. Scarpa, E. Schettino, R. Spadaccini)
FISICA DEI NUCLEI E DELLE RADIAZIONI
FISICA NUCLEARE TEORICA
- Studio di sistemi nucleari a molti corpi
91
(F. Andreozzi, L. Coraggio, A. Covello, A. Gargano, N. Itaco, N. Lo Iudice, A. Porrino)
FISICA NUCLEARE SPERIMENTALE
- Evaporazione e fissione di nuclei composti altamente eccitati
95
(A. Brondi, M. Di Meo, G. La Rana, R. Moro, A. Ordine, E. Vardaci)
- Reazioni nucleari indotte da ioni pesanti
98
(A. Boiano, A. De Rosa, M. Di Pietro, G. Inglima, M. La Commara, D. Pierroutsakou, M. Romoli,
M. Sandoli)
- Collisioni nucleo-nucleo
100
(N. De Cesare, E. Rosato, M. Vigilante)
- Astrofisica nucleare
105
(N. De Cesare, A. D'Onofrio, A. Formicola, L. Gialanella, G. ImbrianI, C. Lubritto, A. Ordine, V.
Roca, M. Romano, C. Sabbarese, F. Terrasi)
FISICA APPLICATA
- Ionizzazione in orbitali atomici interni
109
(D. Grassi, N. De Cesare, E. Perillo, G. Spadaccini, M. Vigilante)
- Rivelatori a semiconduttori composti per raggi X e Gamma
(N. De Cesare, D. Grassi, E Perillo, G. Spadaccini)
4
110
- Apparati di rivelazione per reazioni indotte da ioni pesanti
113
(A. Boiano, A. De Rosa, M. Di Pietro, G. Inglima, M. La Commara, D. Pierroutsakou, M. Romoli,
E. Vardaci)
- Impiantazione ionica per tribologia e studio di semiconduttori
114
(N. De Cesare, A. D’Onofrio, L. Gialanella, G. Imbriani, V. Roca, M. Romano, F. Terrasi)
- Analisi di materiali con uso di fasci ionici
116
(L. Campajola, G. Gialanella, R. Moro, E. Perillo, G. Spadaccini)
- Radioattività ambientale
117
(G. Gialanella, M. Pugliese, V. Roca, M. Romano)
- Spettrometria di massa ultrasensibile con l'acceleratore tandem TTT-3
119
(A. D'Onofrio, L. Gialanella, G. Imbriani, C. Lubritto, V. Roca, M. Romano, C. Sabbarese, F.
Terrasi)
- Sviluppo di sistemi di acquisizione dati
120
(A. Boiano, A. Ordine)
BIOFISICA DELLE RADIAZIONI E FISICA SANITARIA
- Radiosensibilità cellulare per irraggiamento con adroni
122
(M. Durante, G. Gialanella, G.F. Grossi, M. Pugliese, P. Scampoli)
- Dosimetria biologica in radioterapia e della radiazione nello spazio
123
- Effetti molecolari e cellulari delle radiazioni non ionizzanti
125
- Integrazione di immagini e piani di trattamento in radioterapia
129
(M. Durante, G. Gialanella, G. F. Grossi, M. Pugliese, P. Scampoli)
FISICA SUBNUCLEARE
FISICA DELLE PARTICELLE ELEMENTARI CON ACCELERATORI
- Studio delle interazioni elettrone-positrone presso l'anello di accumulazione LEP 133
del CERN (Esperimento L3)
(A. Aloisio, M.G. Alviggi, M. Biglietti, G.P. Carlino, N. Cavallo, G. Chiefari, F. Conventi, R. De
Asmundis, D. Della Volpe, M. Della Pietra, A. Doria, L. Lista, L. Merola, S. Mele, M. Napolitano,
P. Paolucci, S. Patricelli, D. Piccolo, C. Sciacca)
- Studio delle interazione protone-protone ad altissima energia presso il Large 136
Hadron Collider (LHC) del CERN (Esperimento ATLAS)
(A. Aloisio, M.G. Alviggi, M. Biglietti, V. Canale, M. Caprio, G. Carlino, F. Cevenini, F. Conventi,
R. de Asmundis, M. Della Pietra, D. Della Volpe, A. Doria, P. Iengo, L. Merola, S. Patricelli, G.
Sehkniadze)
- Tier-3 ATLAS: realizzazione di una farm di calcolo locale come prototipo di tier-3 139
per l’esperimento ATLAS
(M. Biglietti, G.P. Carlino, G. Chiefari, F. Conventi, D. Della Volpe, A. Doria, S. Mele, L. Merola)
- Studio della violazione di CP nel decadimento dei mesoni K presso l’acceleratore 140
DAΦNE dei laboratori nazionali di Frascati dell’INFN (Esperimento KLOE)
(A. Aloisio, F. Ambrosino, F. Cevenini, G. Chiefari, C. Di Donato, A. Doria, L. Merola, M.
Napolitano, G. Saracino)
- Studio della violazione di CP nel sistema B-anti B presso l'acceleratore PEP II di 142
SLAC (Esperimento BABAR)
(C. Cartaro, N. Cavallo, G. De Nardo, F. Fabozzi, C. Gatto, L. Lista, P. Paolucci, D. Piccolo, C.
Sciacca)
- Studio delle interazione protone-protone ad altissima energia al Large Hadron 146
5
Collider (LHC) del CERN (Compact-Muon-Selenoid)
(N. Cavallo, P. Paolucci, D. Piccolo, C. Sciacca)
FISICA DEL NEUTRINO
- Ricerca di oscillazioni di neutrini all'SPS del CERN (Esperimento CHORUS)
148
(S. Buontempo, A. Cocco, N. D'Ambrosio, G. De Lellis, G. De Rosa, F. Di Capua, A. Ereditato, G.
Fiorillo, M. Messina, P. Migliozzi, R. Peluso, C. Pistillo, P. Strolin, V. Tioukov)
- Ricerca di oscillazioni di neutrino-µ neutrino-τ con un esperimento “Long 150
Baseline” sul fascio CNGS dal CERN al Gran Sasso (Esperimento OPERA)
(S. Buontempo, A. Cocco, N. D'Ambrosio, G. De Lellis, G. De Rosa, F. Di Capua, A. Ereditato, G.
Fiorillo, T. Kawamura, M. Messina, P. Migliozzi, C. Pistillo, G. Sorrentino, P. Strolin, V. Tioukov)
- Studio della produzione di adroni responsabili dei flussi di neutrini nelle neutrino 152
factories, nell’atmosfera negli acceleratori convenzionali (ESPERIMENTO
HARP/PS214)
(V. Palladino)
- Studio del potenziale scientifico delle neutrino factories e R&D tecnologico 152
finalizzato alla loro realizzazione (Gruppo di lavoro ECFA sulle NuFact)
(V. Palladino)
FISICA DELLA RADIAZIONE COSMICA
- Studio della radiazione cosmica presso il laboratorio di raggi cosmici di 154
Yangbajing in Tibet (Esperimento ARGO-YJ)
(F. Barone, B. Bartoli, E. Calloni, S. Catalanotti, S. Cavaliere, B. D’Ettorre Piazzoli, T. Di
Girolamo, G. Di Sciascio, M. Iacovacci, S. Mastroianni, L. Milano, L. Saggese)
- Esperimento AUGER
156
(M. Ambrosio, A. Della Selva, D. D’Urso, S. Kyriazopoulou, L. Rosa, O. Pisanti)
- Esperimento GSC2
158
(M. Ambrosio)
- Esperimento PAMELA
159
(D. Campana, G. Osteria, G. Barbarino)
FISICA TEORICA
FISICA TEORICA DELLE INTERAZIONI FONDAMENTALI
- Simmetrie, Teoria dei Campi e Fisica della Gravitazione
163
(G. Bimonte, G. Esposito, M. Giordano, F. Lizzi, G. Marmo, V. Marotta, G. Platania, C. Rubano, A.
Simoni, A. Sciarrino, P. Scudellaro, C. Stornaiolo, F. Zaccaria, G. Covone, E. Piedipalumbo, A.A.
Marino, M. Sereno, G. Sparano)
- Fenomenologia delle particelle elementari
167
(F. Buccella, G. Cosenza, G. D’Ambrosio, A. Della Selva, D. Falcone, K. Nagakawa, G. Ricciardi,
P. Santorelli, F. Tramontano)
- Fisica Astroparticellare
170
(A. Della Selva, E. Di Grezia, S. Esposito, G. Mangano, G. Miele, I. Picardi, O. Pisanti, L. Rosa)
- Teorie di campo conformi, sistemi algebrici e modelli solubili
173
(L. Cappiello, G. Cristofano, R. Figari, D. Giuliano, G. Maiella, V. Marotta)
- Teorie quantistiche di campo, teorie di stringa e gravità quantistica
175
(L. Cappiello, F. Cuomo, G. Fiore, A. Liccardo, R. Marotta, R. Musto, F. Nicodemi, R. Pettorino,
F. Pezzella, G. Sabella)
MECCANICA STATISTICA
- Meccanica statistica di sistemi disordinati
177
6
(A. Chiazzo, A. Coniglio, E. Del Gado, A. De Candia, C. De Michele, F. Di Liberto, A. Fierro, M.
Nicodemi, F. Peruggi, M. Pica Ciamarra, P. Ruggiero)
- Dinamica lenta e sistemi di interesse biologico
182
(L. Peliti)
STORIA DELLA FISICA
- Storia della fisica teorica
183
(G. Acocella, D. Capecchi, P. Cerreta, De Martino, A. Drago, R. Fedele, P. Iacono, A. La Sala, G.
Longo, G. Mauriello, R. Pisano, F.M. Scarpa, E. Schettino, R. Vella, A. Venezia)
METODOLOGIE FISICHE APPLICATIVE
ACUSTICA
- Trasformazioni Tempo Varianti di Segnali e Modelli Multiwavelet del Segnale
189
(S. Cavaliere, G. Evangelista)
- Elaborazione numerica di segnali acustici. Applicazioni in campo protesico
193
(I. Ortosecco, D. Russo, C. Saulino)
ARCHEOMETRIA
- Studio, mediante fluorescenza X, della metallurgia dell’oro e del bronzo nell’Italia 194
Meridionale
- Realizzazione di un apparato portatile per indagini non-distruttive sulle pitture 195
murali romane
(G. Paternoster)
FISICA AMBIENTALE
- Sviluppo di metodiche per la caratterizzazione di variabili ambientali
195
(M. Macchiato, C. Cosmi, M. D’Emilio, M. Lanfredi, V. La Penna, M. Ragosta, T. Simoniello, L.
Tedesca)
FISICA DEI FASCI E DEGLI ACCELERATORI
- Sviluppo di acceleratori di particelle
201
(D. Davino, R. Fedele, F. Galluccio, M.R. Masullo, V.G. Vaccaro, L. Verolino, L. De Menna, A.
D’Elia)
- Metodologie quantum-like e metodologie convenzionali
205
(S. De Nicola, R. Fedele, M.R. Masullo, V. G. Vaccaro)
FISICA MEDICA
- Rivelatori ibridi a Semiconduttore per Autoradiografia Digitale Scintigrafia
211
(E. Bertolucci, M. Maiorino, G. Mettivier, M.C. Montesi, P. Russo)
- Fisica Medica
213
(M. Autiero, I. Iaccarino, R. Liuzzi, M. Quarto, P. Riccio, G. Roberti)
MICROELETTRONICA
- Sviluppo di reti ottiche ad alta velocità per sistemi digitali di acquisizione dati
217
(A. Aloisio, F. Cevenini)
ONDE ELETTROMAGNETICHE
- Monitoraggio ambientale di campi elettromagnetici
(F.Carbonara, M.R. Masullo, V.G. Vaccaro)
7
219
STRUTTURA DELLA MATERIA
FISICA ATOMICA E MOLECOLARE - OTTICA E SPETTROSCOPIA
- Dispositivi a cristalli liquidi per ottica integrata
223
(G. Abbate, A. Marino, P. Terno, E. Santamato)
- Ottica Applicata
226
(F. Bloisi, L. Vicari)
- Tecniche spettroscopiche ed applicazioni alla biomedicina
227
(L. Bottalico, I. Delfino, R. Esposito, M. D. Falco, P. L. Indovina, A. Lauria, M. Lepore, R. Romano,
G. Urso F. Vigilante)
- Generazione di radiazione VUV e XUV
230
(C. Altucci, R. Bruzzese, C. De Lisio, A. Porzio, S. Solimeno)
- Ottica nonlineare per lo studio di superfici
233
(L. Marrucci, D. Paparo, E. Santamato)
- Ottica nonlineare nei cristalli liquidi
235
(B. Piccirillo, A. Vella, E. Santamato)
- Spettroscopia laser ad elevata risoluzione e sensibilità
237
(A. Bruno, G. Pesce, G. Rusciano, A. Sasso)
- Manipolazione ed intrappolamento di particelle micrometriche optical tweezers
238
(A. Buascioli, A. Caburni, G. Pesce, N. Malagnino, A. Sasso)
- Ottica Quantistica
239
(A. Porzio, S. Solimeno)
- Tecniche di spettroscopia laser ed applicazioni alla fisica dell'atmosfera
(M. Armenante, A. Boselli, L. D’Avino, N. Spinelli, R. Velotta, X. Wang)
- Plasmi in Fisica Atomica
243
245
(S. Amoruso, M. Armenante, R. Bruzzese, N. Spinelli, R. Velotta, X. Wang)
SUPERCONDUTTIVITA'
- Fisica di superconduttori in regime stazionario e non stazionario
247
(A. Barone, L. Parlato, G. Peluso, G. Pepe, M. Valentino, A. Ruosi)
- Superconduttività in sistemi metallici non convenzionali
253
(A. Andreone, M. Barra, A. Cassinese, R. Di Capua, E. Di Gennaro, M. Iavarone, G. La Mura, F.
Miletto, M. Salluzzo, U. Scotti di Uccio, R. Vaglio)
MATERIALI MAGNETICI
- Sistemi magnetici realistici unidimensionali
256
(L.S. Camapana, A.C. D’Auria, F. Esposito, U. Esposito)
- Proprietà magnetiche nei materiali metastabili, megnetoelasticità e sue applicazioni
257
(G. Ausanio, V. Iannotti, L. Lanotte, C. Luponio)
FISICA DEI SEMICONDUTTORI
- Crescita e caratterizzazione di film a base di silicio
260
(G. Ambrosone, U. Coscia, V. Parisi)
- Proprietà termiche e ottiche di materiali innovativi e dispositivi basati su
semiconduttori
262
(U. Bernini, S. Lettieri, P. Maddalena)
- Effetti dell’interazione Elettrone-Fonone in cuprati e manganiti
264
(V. Cataudella, G. De Filippis, G. Iadonisi, F. Ventriglia, V. Marigliano Ramaglia, E. Piegari, C.A.
Perroni)
- Effetti magnetici in reticoli di giunzioni Josephson
8
266
(V. Cataudella)
- Fisica delle nanostrutturre
266
(F. Buonocore, G. Cantele, L. Lancellotti, G. Iadonisi, F. Liguori, D. Ninno)
- Accoppiamento spin-orbita in nanostrutture ibride
268
(V. Marigliano Ramaglia, D. Bercioux, V. Cataudella, G. De Filippis, C.A. Perroni, F. Ventriglia)
- Relatività speciale e nanostrati di silicio
268
(B. Preziosi)
- Sistemi mesoscopici e fluttuazioni quantistiche
(D. Giuliano, P. Onorato, A. Tagliacozzo, G.P. Zucchelli)
9
269
Introduzione
Il presente rapporto fornisce un quadro sintetico della composizione del Dipartimento di
Scienze Fisiche dell'Università "Federico II" di Napoli, delle sue strutture e delle attività
didattiche e di ricerca scientifica che ad esso fanno capo. I dati sulla composizione del
Dipartimento si riferiscono al 31 dicembre 2001 e già non riflettono completamente la realtà
attuale, data la varia e complessa dinamica scientifica e didattica della struttura che si esplica
principalmente mediante una veloce variazione della composizione del gruppo dei non
strutturati. Le relazioni scientifiche allegate, curate dai responsabili delle singole ricerche e
corredate dalle pubblicazioni del 2001, danno un quadro delle attività di ricerca che si sono
svolte nel corso del passato anno e dei programmi per il prossimo anno.
Al 31 dicembre 2001 afferivano al Dipartimento 120 Professori di ruolo, 44 Ricercatori e 31
tra Tecnici, Amministrativi ed Ausiliari. All'interno del Dipartimento sono presenti la Sezione
di Napoli dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e l'Unità di Napoli dell'Istituto
Nazionale di Fisica della Materia (INFM) che si avvalgono rispettivamente dell’opera di 28 e
4 Ricercatori e 38 e 5 unità di personale tecnico ed amministrativo. Sono in fase di
costituzione le sezioni dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) e
dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) che già hanno consistenti gruppi di ricerca
operanti all’interno del Dipartimento, i cui componenti strutturati sono inquadrati nei ruoli del
nostro Ateneo. Altri 200 ricercatori tra borsisti di Dottorato, borsisti post-doc, borsisti di altri
enti, assegnisti ed ospiti stranieri svolgono la loro attività di ricerca nel Dipartimento. In
totale circa 400 persone svolgono la loro attività lavorativa presso questa Struttura.
L’amministrazione del Dipartimento, che nel 2001 ha avuto un bilancio di oltre 10 miliardi di
lire, la conduzione della biblioteca, che ha un patrimonio librario di circa 20.000 volumi e
circa 200 periodici e che gestisce anche il prestito di libri agli studenti ed il controllo degli
spazi assegnati al loro studio (circa 150 posti), le segreterie didattiche e scientifica e
l’assistenza tecnica ai laboratori didattici sono assicurate da unità di personale il cui numero è
molto piccolo rispetto alle esigenze (attualmente è previsto un organico di 50 unità di
personale tecnico ed amministrativo, ma nel Dipartimento lavorano solo 31 dipendenti fra
tecnici ed amministrativi). Il fondo dell’Università per il funzionamento è stato nel 2001 di
soli 603ML.
Servizi come il centro locale di calcolo, l’officina meccanica e il servizio elettronico sono
gestiti principalmente da personale degli Istituti di ricerca che hanno sede nel Dipartimento, e
solo recentemente si è riusciti ad avere qualche unità di personale universitario.
I corsi di insegnamento tenuti da docenti del Dipartimento coprono le esigenze didattiche di 6
Facoltà (Scienze MM.FF.NN., Ingegneria, Agraria, Medicina, Medicina Veterinaria e
Farmacia) dell'Università "Federico II", per oltre 25 Corsi di laurea e di diploma, e molti
docenti hanno contribuito sia all'avvio delle attività didattiche nei Corsi di laurea di nuova
istituzione nelle Università limitrofe, che alla organizzazione dei corsi di laurea di primo
livello secondo la nuova normativa. Il coordinamento del complesso delle attività didattiche è
certamente uno dei compiti più difficili nell'ambito di una grossa struttura dipartimentale.
Presso il Dipartimento sono altresì istituiti il Corso di Perfezionamento in Relatività
Generale, Cosmologia e Particelle e il Corso di Perfezionamento in Didattica della Fisica.
Dall’anno accademico 2000-2001 è stata istituita, in collaborazione con la Facoltà di
Medicina, la Scuola di Specializzazione in Fisica Sanitaria, con otto specializzandi di area
fisica.
10
Il Dottorato di Ricerca in Fisica Fondamentale ed Applicata, attivato a Napoli sin dal primo
anno dell’istituzione dei Dottorati di ricerca, svolge il ruolo fondamentale di formazione di
nuovi ricercatori. Inoltre, nel 2000, il Polo delle Scienze e delle Tecnologie ha istituito un
Dottorato di Polo sul Rischio Sismico, che ha nel Dipartimento il gruppo referente principale.
Alcuni dottori di ricerca continuano a svolgere la loro attività grazie a borse di studio postdoc finanziate dall'Università, dall'INFN, dall’INFM e dalla UE. Attualmente sono attivi
presso il Dipartimento il XIV, XV e XVI Ciclo di Dottorato.
Per quanto riguarda le attività di ricerca scientifica, il Dipartimento è organizzato nelle
seguenti Sezioni:
1) Astrofisica e Fisica dei Plasmi
2) Fisica Generale
3) Fisica dei Nuclei e delle Radiazioni
4) Fisica Subnucleare
5) Fisica Teorica
6) Metodologie Fisiche Applicative
7) Struttura della Materia
che nel 2001 hanno prodotto 273 pubblicazioni su riviste internazionali con referee, 200
interventi orali a congressi nazionali ed internazionali, di cui 115 pubblicati, 4 libri di fisica
ad argomento specialistico e all’organizzazione di 12 congressi e workshops.
Nel corso del 2001 il Dipartimento ha avuto i seguenti finanziamenti: dall’Ateneo per la
Ricerca Dipartimentale 754,5ML, dai fondi PRIN 2000 614ML, da altri fondi MURST
243ML, dal CNR 123ML, dalla UE 486ML e da altri enti 802ML.
La presenza dell'INFN e dell’INFM sono di vitale importanza. L'entità dei finanziamenti e
delle apparecchiature necessarie, e la possibilità di effettuare ricerche presso i grandi
Laboratori Nazionali ed Internazionali non sarebbero infatti compatibili con le disponibilità
finanziarie e le strutture di un Dipartimento universitario. Peraltro tali ricerche debbono
essere considerate a pieno titolo come ricerche del Dipartimento per il contributo essenziale
sia dei docenti che vi partecipano e della base culturale che l'Università fornisce, che per le
strutture che il Dipartimento mette a disposizione per tali attività.
Il Dipartimento ha creato una struttura che ha permesso l’adesione del proprio Museo delle
apparecchiature storiche della Fisica al Sistema Museale dell’Ateneo. Le apparecchiature
storiche sono state trasferite presso i Musei naturalistici del Centro storico della città e si sta
provvedendo alla loro sistemazione in locali adeguati. Di ciò va dato merito
all’Amministrazione, in particolare al Rettore ed al Direttore Amministrativo che hanno
fortemente sostenuto il ricongiungimento di tutto il Dipartimento e l’adesione della Sezione
di Fisica al Sistema Mussale.
Il Direttore
Prof. Giuseppe Iadonisi
11
Dipartimento di Scienze Fisiche
Istituito il 9/12/1987 a seguito della fusione dei Dipartimenti di "Fisica" e di "Fisica Nucleare,
Struttura della Materia e Fisica Applicata".
Sede Amministrativa: Complesso Universitario di Monte S. Angelo Edifici G-H-M-N
Via Cintia – I 80126 Napoli
Tel. +39-81-67.63.32
Fax +39-81-67.63.52
Altre sedi:
Via Mezzocannone 8
Tel. +39-81-552.99.68
Piazzale Tecchio
Tel. +39-81-768.24.29
Via Claudio
Tel. +39-81-768.36.03
Organi del Dipartimento
Direttore: G. Iadonisi
- Giunta: F. Cevenini, G. Gialanella, G. Giberti, L. Merola, G. Miele, L. Milano, R. Pettorino,
R. Vaglio
- Consiglio di Dipartimento:
54 Professori Ordinari
66 Professori Associati
44 Ricercatori
3 Rappresentanti del personale non docente
3 Rappresentanti dei Dottorandi di Ricerca
- Segretaria Amministrativo: C. De Felice
- Comm. Scientifica:
A. Coniglio, A. Covello, P. Maddalena, G. Marmo
M. Napolitano (Presidente), R. Vaglio (Rappr. Giunta).
- Comm. Didattica: A. Brondi (Presidente), A. Simoni, A. Clarizia, G. Spadaccini, G. Pepe
12
Personale Docente e Ricercatore
Nome
Prof. Ordinari
1. Abbate G.
2. Barbarino G.
3. Barone A.
4. Bartoli B.
5. Brondi A.
6. Bruzzese R.
7. Buccella F.
8. Capaccioli M.
9. Caramico A.
10. Catalanotti S.
11. Chiefari G.
12. Civetta L.
13. Coniglio A.
14. Covello A.
15. D'Ettorre B.
16. Gasparini P.
17. Gialanella G.
18. Guidoni P.
19. Iadonisi G.
20. Indovina P.
21. Lanotte L.
22. Lauria F.
23. Lo Iudice N.
24. Macchiato M.
25. Marmo G.
26. Merola L.
27. Milano L.
28. Moro R.
29. Murtas G.P.
30. Musto R.
31. Napolitano M.
32. Nicodemi F.
33. Patella D.
34. Patricelli S.
35. Peliti L.
36. Perillo E.
37. Pettorino R.
38. Preziosi B.
39. Roberti G.
40. Russo G.
41. Russo P.
42. Sandoli M.
43. Santamato E.
44. Sassi E.
45. Sciacca C.
Fac.
Corso di Laurea
Sci
Sci.
Ing.
Ing.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Ing.
Agr.
Sci.
Sci
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Vet.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Med.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Ch. Industriale
Fisica
Ing. Elettronica
Ing. Chimica
Fisica
Ing. Aeronautica
Fisica
Fisica
Ing. Meccanica
Agraria
Fisica
Geologia
Fisica
Fisica
Fisica
Geofisica e Vul.
Fisica
Fisica
Fisica
Sc. Biologiche
Ing. Civile
Fisica
Fisica
Veterinaria
Fisica
Fisica
Sc. Biologiche
Chimica
Ing. Edile
Fisica
Fisica
Fisica
Geofisica e Vul.
Fisica
Fisica
Matematica
Fisica
Fisica
Medicina
Informatica
Sc. Biologiche
Fisica
Fisica
Fisica
Sc. Biologiche
13
Materia di Insegnamento
Fisica Generale I
Laboratorio di Fisica II
Struttura della Materia
Fisica II
Esperimentazioni di Fisica III
Fisica II
Fisica Teorica
Astronomia
Fisica II
Fisica
Esperimentazioni di Fisica I
Geofisica Nucleare
Meccanica Statistica
Ist. di Fisica Nucleare e Subnucleare
Esperimentazioni di Fisica II
Fisica Terrestre
Fisica Generale I
Fisica Generale II
Fisica dello Stato Solido
Fisica
Fisica II
Teoria dell'Informazione
Fisica Nucleare
Fisica
Istituzioni di Fisica Teorica
Laboratorio di Fisica
Fisica Generale I
Fisica II
Meccanica Quantistica
Ist. di Fisica Nucleare e Subnucleare
Geofisica Applicata
Meccanica Statistica
Fisica Generale I
Relatività
Fisica Generale I
Fisica
Sistemi per l'elaboraz. delle informazioni: reti
Istituzioni di Fisica Nucleare e Subnucleare
Fisica Generale I
Didattica della Fisica
Fisica
46. Sciarrino A.
47. Silvestrini V.
48. Solimeno S.
49. Spadaccini G.
50. Spinelli N.
51. Strolin P.
52. Trautteur G.
53. Vaccaro V.
54. Vaglio R.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Ing.
Fisica
Ing. Elettronica
Fisica
Informatica
Ch. Industriale
Fisica
Fisica
Ing. T. comunicazioni
Ing. Elettronica
Fisica Teorica
Fisica II
Fisica I
Fisica Generale II
Fisica Superiore
Cibernetica
Propagazione
Fisica I
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Farm.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Fisica
Fisica
Ing. Informatica
Sc. Biologiche
Ch. Industriale
Sc. Geologiche
Fisica
Informatica
Informatica
Informatica
Fisica
Fisica
Fisica
Sc. Geologiche
Sc. Geologiche
Fisica
Fisica
Matematica
Fisica
Sc. Biologiche
Chimica
Ing. Informatica
Fisica
Matematica
Sc. Geologiche
Sc. Naturali
Sc. Biologiche
Fisica
Ing.
Fisica
Ing. Meccanica
Fisica
Fisica
Ing. Edile
Chimica
Fisica
Fisica
Metodi Matematici della Fisica
Fisica I e II
Fisica
Fisica Generale II
Fisica Generale
Fisica delle Particelle Elementari
Algoritmi e strutture dati
Fisica Moderna
Architettura degli elaboratori
Elettronica
Elaboraz. dell'inform. non numerica
Fisica Generale
Fisica Sperimentale I
Fisica Generale I
Storia della Fisica
Fisica Generale II
Fisica I
Fisica Generale I
Fisica Generale II
Fisica Sperimentale II
Fisica
Fisica
Epistemologia e Metodologia
Fisica Generale II
Fisica I
Astrofisica
Fisica I
Laboratorio di Fisica Generale
Onde Elettromagnetiche
Fisica delle Basse Temperature
Prof. Associati
1. Abud M.
2. Alviggi M.
3. Andreone A.
4. Andreozzi F.
5. Bernini U.
6. Canale V.
7. Carbonara F.
8. Catanzariti E.
9. Cataudella V.
10. Cavaliere S.
11. Cevenini F.
12. Cosenza G.
13. Criscuolo G.
14. Cristofano G.
15. De Angelis U.
16. De Rosa A.
17. Della Selva A.
18. Di Liberto F.
19. Drago A.
20. Durante M
21. Esposito F.
22. Esposito U.
23. Figari R.
24. Forlani A.
25. Giberti G.
26. Giordano M.
27. Grossi G.
28. Guccione S.
29. Iacovacci M.
30. Inglima G.
31. La Rana G.
32. Lizzi F.
33. Longo G.
34. Luponio C.
35. Maddalena P.
36. Maiella G.
37. Marigliano V.
14
38. Marrucci L.
39. Mastrocinque G.
40. Miele G.
41. Minicozzi E.
42. Monroy G.
43. Nakagawa K.
44. Ninno D.
45. Palladino V.
46. Palmieri C.
47. Parisi V.
48. Paternoster G.
49. Peluso G.
50. Peron A.
51. Peruggi F.
52. Platania G.
53. Romano M.
54. Rosato E.
55. Ruggiero P.
56. Sartoris G.
57. Sasso A.
58. Simoni A.
59. Smaldone L.
60. Tagliacozzo A.
61. Vardaci E.
62. Velotta R.
63. Vicari L.
64. Zaccaria F.
65. Zollo A.
66. Zucchelli G.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Agr.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Farm.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing. dei Materiali
Ing. Civile
Fisica
Fisica
Matematica
Fisica
Scienze dei Materiali
Fisica
Sc. Geologiche
Sc. dell'Aliment.
Fisica
Ing. Aeronautica
Informatica
Fisica
Fisica
Fisica
Fisica
Farmacia
Fisica
Fisica
Fisica
Fisica
Fisica
Fisica
Sci. ed Ing dei Mat.
Dipl. Informatica
Fisica
Geofisica e Vul.
Fisica
Istituzioni di Fisica della Materia
Fisica I
Istituzioni di Fisica teorica
Calcolo Operativo
Fisica Generale I
Teoria dei Sistemi a Molti Corpi
Fisica
Fisica Sperimentale I
Fisica
Fisica I
Ingegneria del software
Fisica Generale II
Fisica Spaziale
Fisica
Complementi di Fisica Generale I
Fisica Solare
Complementi di fisica classica
Fisica Generale I
Fisica I
Teoria dei Campi
Sismologia
Fisica Molecolare
Ricercatori
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Ambrosone G.
Ambrosino F.
Andretta A.
Balzano E.
Benerecetti M.
Bimonte G.
Bloisi F.
Calloni E.
Campana L.
Cappiello L.
Cicchiello L.
Clarizia A.
Coscia U.
Cutugno F.
Ing.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci..
Sci.
Ing.
Sci.
Agr.
Sci.
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
28
29
30
De Cesare N.
De Lisio C.
De Rosa R.
De Stefano S.
Di Maio R.
Evangelista G.
Fedele R.
Fiorillo G.
Guarino F.
La Commara M.
Marmolino C.
Montesi C.
Nicodemi M.
Ortosecco I.
15
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci
Sci.
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
43
44
Pepe G.
Porrino A.
Ricciardi G.
Rubano C.
Ruosi A.
Russo G.
Santorelli P.
Saracino G.
Schettino E.
Scampoli P.
Scudellaro P.
Ventriglia F.
Vigilante M.
Ing.
Sci.
Sci
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Farm
Sci.
Personale non Docente
Amministrazione
Daniela D’AURIA
Camilla DE FELICE
Annamaria ESPOSITO
Francesco PREZIUSO
Michele SCARPATI
Agente Amministrativo
Funzionario Amministrativo
Operatore Contabile
Bidello
Operatore Dati
Biblioteca
Vincenzo DE LUISE
Lidia MANTO
Federica ROMANO
Dino TERRANOVA
Assistente Bibliotecario
Operatore Biblioteca
Assistente Bibliotecario
Agente Amministrativo
Laboratorio dell'Acceleratore
Luigi CAMPAJOLA
Michelangelo AVELLINO
Coordinatore Tecnico
Assistente Tecnico
Magazzino
Tommaso LERRO
Operatore Magazziniere
Officina meccanica
Benedetto DE FAZIO
Collaboratore Tecnico
Servizio Manutenzione/Impianti e sicurezze
Raffaele AVERSANO
Antonio IMPROTA
Giuseppe PESCE
Assistente Tecnico
Funzionario Tecnico
Segreteria Didattico Amministrativa
Vittorio ALLOCCA
Giuseppe GAROFALO
Collaboratore Contabile
Assistente Amministrativo
16
Segreteria Scientifica
Guido CELENTANO
Salvatore VERDOLIVA
Operatore Amministrativo
Assistente Amministrativo Linguistico
Servizio Elettronica e Rivelatori
Pietro TRATTINO
Servizio di Radioprotezione
Vincenzo ROCA
Maria Gabriella PUGLIESE
Coordinatore Generale
Funzionario Tecnico
Supporto ai Gruppi di Ricerca e Laboratori Didattici
Vincenzo MARZULLO
Antonio RAMAGLIA
Funzionario Tecnico
Funzionario Tecnico
Ufficio Acquisti
Eugenio DE CARLO
Vincenzo ORGIANI
Assistente Contabile
Assistente Contabile
SEDE FACOLTA' DI INGEGNERIA
Francesco BELARDO
Antonio CINQUEMANI
Aldo FERRARA
Stefano MARRAZZO
Operatore Tecnico
Assistente Amministrativo
Agente Servizi Ausiliari
17
SEZIONI DEL DIPARTIMENTO
Astrofisica e Fisica dei Plasmi
Responsabile: Prof. Massimo Capaccioli
Calloni
Capaccioli
De Angelis
De Rosa
Forlani
Longo
Enrico
Massimo
Umberto
Rosario
Antonio
Giuseppe
Marmolino
Milano
Platania
Russo
Smaldone
Ciro
Leopoldo
Giovanni
Guido
Luigi
Fisica Generale
Responsabile: Prof. Paolo Gasparini
Balzano
Benerecetti
Catanzariti
Cicchiello
Civetta
Criscuolo
Cutugno
Di Maio
Gasparini
Giberti
Guccione
Guidoni
Lauria
Emilio
Massimo
Ezio
Loretta
Lucia
Giovanni
Francesco
Rosa
Paolo
Grazia
Salvatore
Paolo
Francesco
Minicozzi
Monroy
Patella
Peron
Russo
Sartoris
Sassi
Schettino
Silvestrini
Trautteur
Zollo
Eliana
Gabriella
Domenico
Adriano
Guido
Giovanni
Elena
Edvige
Vittorio
Giuseppe
Aldo
Fisica dei Nuclei e delle Radiazioni
Responsabile: Prof. Renata Moro
Andreozzi
Brondi
Campajola
Covello
De Cesare
De Rosa
Durante
Gialanella
Grossi
Inglima
Itaco
La Commara
La Rana
Francesco
Augusto
Luigi
Aldo
Nicola
Antonio
Marco
Giancarlo
Gianfranco
Giovanni
Nunzio
Marco
Giovanni
Lo Iudice
Moro
Perillo
Porrino
Pugliese
Romano
Roca
Rosato
Sandoli
Scampoli
Spadaccini
Vardaci
Vigilante
18
Nicola
Renata
Eugenio
Antonio
Gabriella
Mario
Vincenzo
Elio
Mario
Paola
Giulio
Emanuele
Mariano
Fisica Subnucleare
Responsabile: Prof. Sergio Catalanotti
Alviggi
Ambrosino
Barbarino
Bartoli
Canale
Catalanotti
Chiefari
D'Ettorre P.
Fiorillo
Guarino
Maria Grazia
Fabio
Giancarlo
Bruno
Vincenzo
Sergio
Giovanni
Benedetto
Giuliana
Fausto
Iacovacci
Merola
Murtas
Napolitano
Palladino
Patricelli
Saracino
Sciacca
Strolin
Michele
Leonardo
Gianpaolo
Marco
Vittorio
Sergio
Giulio
Crisostomo
Paolo
Fisica Teorica
Responsabile: Prof. Francesco Nicodemi
Abud
Bimonte
Buccella
Cappiello
Clarizia
Coniglio
Cosenza
Cristofano
De Candia
Della Selva
Di Liberto
Drago
Figari
Giordano
Lizzi
Maiella
Marmo
Miele
Mario
Giuseppe
Franco
Luigi
Alberto
Antonio
Guido
Gerardo
Antonio
Angelo
Francesco
Antonino
Rodolfo
Maristella
Fedele
Giuseppe
Giuseppe
Gennaro
Musto
Nakagawa
Nicodemi
Nicodemi
Palmieri
Peliti
Peruggi
Pettorino
Platania
Ricciardi
Rosa
Rubano
Ruggiero
Santorelli
Sciarrino
Scudellaro
Simoni
Zaccaria
Renato
Kimiko
Francesco
Mario
Carlo
Luca
Fulvio
Roberto
Giovanni
Giulia
Luigi
Claudio
Patrizia
Pietro
Antonino
Paolo
Alberto
Francesco
Metodologie Fisiche Applicative
Responsabile: Prof. Ennio Bertolucci
Carbonara
Cavaliere
Cevenini
Evangelista
Fedele
Macchiato
Montesi
Francesco
Sergio
Francesco
Gianpaolo
Renato
Maria
M. Cristina
Ortosecco
Patella
Paternoster
Roberti
Russo
Vaccaro
19
Immacolata
Domenico
Giovanni
Giuseppe
Paolo
Vittorio
Responsabile: Prof. Enrico Santamato
Abbate
Ambrosone
Andreone
Andretta
Barone
Bernini
Bloisi
Bruzzese
Campana
Caramico
Cataudella
Coscia
De Lisio
Esposito
Esposito
Iadonisi
Indovina
Lanotte
Luponio
Giancarlo
Giuseppina
Antonello
Antonietta
Antonio
Umberto
Francesco
Riccardo
Luigi
Alvaro
Vittorio
Ubaldo
Corrado
Filippo
Ugo
Giuseppe
Pietro
Luciano
Carlo
Maddalena
Marigliano
Marrucci
Ninno
Peluso
Pepe
Preziosi
Santamato
Sasso
Scotti Di U.
Solimeno
Spinelli
Tagliacozzo
Tino
Vaglio
Velotta
Ventriglia
Vicari
Zucchelli
20
Pasquale
Vincenzo
Lorenzo
Domenico
Giuseppe
Giovanni
Bruno
Enrico
Antonio
Umberto
Salvatore
Nicola
Arturo
Guglielmo
Ruggero
Raffaele
Francesco
Luciano
Gianpaolo
Personale di altri Enti ed ospiti
Ricercatori INFN
Ambrosio
Armenante
Buontempo
Campana
Carlino
Coraggio
D'Ambrosio
De Asmundis
Di Fiore
Di Sciascio
Ereditato
Esposito
Galluccio
Gargano
Michelangelo
Mario
Salvatore
Donatella
Gianpaolo
Luigi
Giancarlo
Riccardo
Luciano
Giuseppe
Antonio
Giampiero
Francesca
Angela
Gatto
Gialanella
Lista
Mangano
Masullo
Mele
Migliozzi
Osteria
Paolucci
Pezzella
Piccolo
Pierroutsakou
Romoli
Stornaiolo
Corrado
Lucio
Luca
Gianpiero
Maria Rosaria
Salvatore
Pasquale
Giuseppe
Pierluigi
Francesco
Davide
Dimitra
Mauro
Cosimo
Ferrara
Guida
Lo Re
Manto
Martusciello
Masone
Mastroserio
Ordine
Pagano
Parascandolo
Parascandolo
Passeggio
Passeggio
Pontoriere
Rocco
Russo
Roscilli
Tortone
Vanzanella
Laura
Paolino
Paolo
Guido
Maria Pia
Vincenzo
Paolo
Antonio
Francesco
Luigi
Pasquale
Antonio
Giuseppe
Giuseppe
Raffaele
Mirella
Lorenzo
Gennaro
Emanuele
Personale tecnico-amministrativo INFN
Anastasio
Arienzo
Boiano
Borriello
Bozza
Candiglioti
Cassese
Cassese
Cocco
Cozzolino
Crupano
D'Amico
D'Aquino
De Ioia
Di Fusco
Di Meo
Di Pietro
Doria
Esposito
Antonio
Maria
Alfonso
Mario
Cristiano
Fausta
Ciro
Francesco
Alfredo
Sabato
Sebastiano
Massimo
Bruno
Michele
Fatima
Paolo
Mario
Alessandra
Rosario (Temp.)
Ricercatori INFM
Iavarone
Miletto
Paparo
Maria (Temp.)
Fabio
Domenico
21
Personale Tecnico-Amministrativo INFM
De Martino
Loffredo
Osteria
Vincenzo (Temp.)
Antonia (Temp.)
Maria Paola
Tammaro
Taurino
Gennaro
Francesco
Fausto
Paolo
Emmanuel
Antonio
Marie-Lise
Mariateresa
Nicola
Michele
Salvatore
Fierro
Iorio
Lombardi
Maiorino
Peluso
Pistillo
Prevete
Simini
Sorrentino
Annalisa
Elena
Sara
Mario
Rosario
Ciro
Roberto
Maria
Giovanni
De Feo
De Filippis
D’Emilio
Falco
Giordano
Iannotti
Mettivier
Sanchez
Urso
Villani
Wang
Domenico
Giulio
Mariagrazia
Maria Daniela
Sabrina
Vincenzo
Giovanni
Anastasio
Gaetano
Fulvia
Xuan
Kawamura
Lissitski
Listone
Mordente
Perez De Lara
Takayuki
Mikhail
Roberto
Robertino
David
Borsisti DSF
Acernese
Aniello
Auger
Avallone
Bernard
Bonagura
D’Ambrosio
De Rosa
Esposito
Borsisti INFM
Ausanio
Bombace
Buonocore
Cassinese
Castaldo
Castaldi
Cerrone
Ciobbo
Claudio
D’Agostino
De Felice
Giovanni
Mariano
Francesco
Antonio
Francesca
Lorenzo
Gabriella
Giuseppe
Gianfranco
Amleto
Benedetta
Borse e assegni INFN
Bozza
Caprio
D’Ambrosio
Della Volpe
Di Meo
Cristian
Mario
Nicola
Domenico
Marianna
22
Assegni di Ricerca DSF
Boselli
Brunetti
Cella
De Candia
De Nardo
Gialanella
Giuliano
Improta
Itaco
Lettieri
Antonella
Romeo
Laura
Antonio
Guglielmo
Lucio
Domenico
Luigi
Nunzio
Stefano
Liuzzi
Lombardi
Marotta
Messina
Pisanti
Porzio
Romano
Salluzzo
Testa
Raffaele
Filomena
Raffaele
Marcello
Ofelia
Alberto
Rocco
Marco
Italo
Assegni di Ricerca INFM
La Ferrara
Ruocco
Visco
Vera
Pasqualina
Stefania
Ospiti stranieri
Anderson D.
Bergere Michel
Brezin Edouard
Bytchkov V.
Coldea Radu
Chernomordik Victor
Gracia-Bondia Josè
Grabowski Janusz
Greiter Martin
Joualt Benoit
Katona Gyulia
Kramer Bernhard
Kulik O. Igor
Kuo Thomas T.S.
Kurizki Gershon
Kvasil Jan
Lambare Gilles
Laughlin Robert B.
Lawrence Neil
Lilia Popova
Man’ko M.A.
Pasquier Vincent
Perrot Jean Francois
Refsdal Sjuz
Rowe Charlotte
Santiago David
Solomon Allan J.
University of Technology, Goteborg (Sweden)
University of Orleans - Francia
Ecole Normale Superieure, Paris - Francia
Russian Academy of Sciences, Moscow (Russia)
Oxford University - U.K.
National Institute of Health, Bethesda - USA
University of Zaragoza - Spagna
University of Warsaw (Polonia)
University of Karlsruhe - Germany
Montpellier - Francia
University of Szeged - Ungheria
I.T.P. Hamburg University – Germany
Bilkent University, Ankara - Turchia
University of Pittsburgh – USA
Weizmann Institute - Israele
Inst. of Part. and Nuclear Physics, Praga – Rep. Ceca
Saint Fargeaux Ponter
Stanford University - USA
Cambridge - UK
Accademia delle Scienze Bulgare
Lebedev Physical Institute – Moscow Russia
Laboratoire de Microtecnique, Losanna - Svizzera
University of Paris VI - France
Hamburg - Germany
USA
University of Glasgow – U. K.
23
Stoyanov Chavdar
Sudarshan E.C.G.
Tennant David Alan
Tsytovitch Vadim
Yacoby Amir
Weigmann Paul
Wucknitz Olaf
Zhang Shoucheng
Sofia State University “St. Kliment Ohridski”
University of Texas – (USA)
Oxford University
Moscow University - Russia
Weizmann Institute - Israele
Chicago University - USA
Hamburg - Germany
24
Le Strutture del Dipartimento
La Biblioteca (Coordinatore Grazia Giberti) è una delle più importanti biblioteche
scientifiche dell'Università "Federico II" ed è localizzata nel locale 2G26 del Dipartimento di
Scienze Fisiche nel Complesso Universitario di Monte Sant'Angelo, in Via Cintia a Napoli.
Dall’Aprile 2001 la Biblioteca è stata intitolata Biblioteca “Roberto Stroffolini”, in onore del
Prof. Stroffolini, che fu uno dei fondatori della Biblioteca dell’allora Istituto di Fisica Teorica
nel 1958. Nel corso degli anni la biblioteca ha inglobato tutto il patrimonio librario
dell’Istituto di Fisica sperimentale. Attualmente il patrimonio librario consta di oltre 23.000
monografie e della collezione delle principali riviste scientifiche nell'ambito sia della Fisica di
base ed applicata, che della storia e della filosofia della Scienza. Solo le annate degli ultimi
quindici anni sono attualmente conservate nei locali della Biblioteca; le annate precedenti, per
molte riviste risalenti fino a inizio 900, sono conservate nel Pozzo Librario della Biblioteca
Centrale della Facoltà di Scienze Monte S’Angelo. Gli abbonamenti in corso alle riviste
scientifiche
sono
più
di
duecento,
per
tutte
è
disponibile
l’on-line.
La Biblioteca è dotata di una sala lettura e consultazione on-line, con 8 postazioni per ricerche
bibliografiche in linea, e di tavoli di lettura interni alle sale in cui sono conservati libri e
riviste, per altri 60 posti. La Biblioteca offre servizi (differenziati) di fotocopiatura a
ricercatori e a studenti. Dall’Aprile 2001 è inoltre disponibile per la consultazione, in una
sala riservata, il patrimonio librario scientifico del Prof. Ari Derecin, donato al Dipartimento
dalla signora Maria Grazia Derecin.
Maggiori informazioni sulla biblioteca e sui servizi offerti possono essere trovati
connettendosi con il sito http://www.fisica.unina.it/biblio/, che viene continuamente
aggiornato.
L'Officina Meccanica (Coordinatore Mario Sandoli) fornisce l'indispensabile supporto alle
attività di ricerca sperimentali dalla fase di progettazione fino alla fase di realizzazione e
montaggio delle apparecchiature richieste. Essa assicura anche il necessario supporto per la
realizzazione di apparecchiature per i laboratori didattici ed ai Servizi Tecnici. La
progettazione avviene in collaborazione con l'Ufficio Tecnico, che è dotato delle più avanzate
apparecchiature per la progettazione mediante CAD. L'officina meccanica dispone di
molteplici macchine utensili a controllo numerico direttamente interfacciabili con i
programmi di CAD, che consentono la realizzazione di progetti di notevole complessità con
un ottimo standard di precisione. La maggior parte delle attrezzature e del personale
afferiscono alla Sezione di Napoli dell'INFN ed operano nell'ambito di una convenzione fra
l'Università di Napoli e l'INFN stesso. Recentemente è stata assegnata al Servizio Officina
Meccanica anche una unità di personale afferente al Dipartimento.
Un'Officina Meccanica di dimensioni più ridotte, gestita da personale del Dipartimento, si
trova presso il Polo della Facoltà di Ingegneria per soddisfare le esigenze dei gruppi di ricerca
che svolgono lì la loro attività.
Il Museo (Coordinatore Edvige Schettino) è un'istituzione recente; nasce come atto non
ufficiale nel 1983 per iniziativa di un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Fisica
dell'Università di Napoli "Federico II". Le sue collezioni sono state inventariate tra il 1983 e il
1987. Negli anni le attività di riordino e di catalogazione non sono mai state disgiunte dalla
documentazione storico-critica, per ricostruire quell'intreccio tra pratica e teoria che è alla
base della formazione del sapere scientifico.
Il patrimonio strumentale del Museo di Fisica è costituito da circa settecento strumenti
acquistati soprattutto nell'Ottocento e nei primi decenni del Novecento, da costruttori inglesi,
25
francesi e tedeschi; non mancano tuttavia alcuni interessanti prototipi e apparati sperimentali
realizzati da costruttori italiani. Il suo patrimonio strumentale ha origine dalla confluenza di
tre nuclei, provenienti da istituzioni diverse, il Gabinetto di fisica sperimentale dell'Università,
la Collezione del Gabinetto Reale e infine alcuni strumenti, acquistati tra il 1840 e il 1845 e
destinati all'Osservatorio vesuviano. Questi ultimi sono trascritti nel più antico inventario
come "Strumenti appartenuti a Macedonio Melloni".
Attualmente il Museo di Fisica ha trasferito le sua Collezioni nella sede storica
dell’Università, in Via Mezzocannone n°8, dove si trovano ancora immagazzinate in attesa
che vengano ristrutturati i locali ad esso assegnati. Gli organi del Museo sono il direttore, il
coordinatore e il consiglio scientifico. Giovani dottorandi e laureandi in fisica collaborano alle
attività museali, tra cui l’organizzazione di mostre tematiche, l’aggiornamento periodico del
sito web e la catalogazione informatica. Attività di ricerca scientifica, documentazione del
patrimonio storico e iniziative di divulgazione continuano a svilupparsi nel Dipartimento di
Scienze fisiche, nei nuovi locali di Via Cintia, dove il Museo di fisica ha ancora la sua sede di
coordinamento scientifico.
Il Servizio di Calcolo & Reti (Coordinatore Roberto Pettorino) eroga il suo servizio ai
seguenti enti:
- Sezione di Napoli dell'INFN;
- Dipartimento di Scienze Fisiche;
- Polo d'Ingegneria del Dipartimento di Scienze Fisiche;
- Unita' di Napoli dell'INFM.
Avvalendosi di sei unita' di personale INFN e di una unità di personale INFM effettua quanto
segue:
• gestione della Lan di M.S.Angelo
• gestione della Lan del Polo d’Ingegneria;
• gestione del collegamento della Lan di M.S.Angelo al GARR;
• gestione Sicurezza Informatica;
• gestione dei seguenti servizi di rete e utente:
- sistema di public login interattivo per il personale dipendente e associato agli enti cui si
eroga il servizio;
- sistema di public login orientato al calcolo per il personale dipendente e associato agli
enti cui si eroga il servizio;
- sistema di public login interattivo per gli studenti del Corso di Laurea in Fisica;
- sistema di back-up dei dati utente presenti sulle macchine pubbliche;
- sistema di gestione delle stampanti pubbliche;
- gestione Sale Utenti;
- servizio Mail;
- servizio Web-Mail;
- gestione Server-Web;
- servizio di personal home page per il personale dipendente e associato
agli enti cui si eroga il servizio;
- sistema di accesso remoto per le connessioni da casa alle macchine pubbliche;
- sportello utenti;
- attivita' di supporto ai congressi;
- aggiornamento professionale ed attivita' di ricerca e sviluppo
Il Servizio Elettronico e Rivelatori (SER) (Coordinatore Antonio Ereditato) e' un servizio
comune al Dipartimento, alla Sezione INFN e all'Unita' dell'INFM di Napoli. Esso svolge
26
compiti di consulenza, di progettazione e realizzazione di circuiti e dispositivi elettronici per i
vari gruppi di ricerca. Le attivita' vengono svolte sia in sede che in laboratori nazionali e
internazionali. Il SER assicura anche l'assistenza ai laboratori di ricerca e didattici e
garantisce la manutenzione di gran parte della strumentazione elettronica in uso nel
Dipartimento. Il servizio e' dotato dei mezzi piu' avanzati per la progettazione assistita da
computer di circuiti complessi mediante CAD elettronico, di dispositivi per la diagnostica e
di apparecchiature per la realizzazionene di prototipi di schede elettroniche.
I Laboratori Didattici del Dipartimento (Coordinatore Pasquale Maddalena) sono
localizzati in vari punti della città. Presso la sede del Dipartimento, nel Complesso
Universitario di Monte Sant'Angelo, si trovano i laboratori in cui si svolgono le esercitazioni
pratiche dei seguenti corsi:
• Corsi del primo biennio del Corso di Laurea in Fisica (Esperimentazioni di Fisica I e
II) ;
• Corsi del secondo biennio del Corso di Laurea in Fisica (Esperimentazioni III ed i
Laboratori specialistici del quarto anno);
• Corso di Laboratorio di Fisica del Corso di Laurea in Chimica;
• Corso di Laboratorio di Fisica del Corso di Laurea in Chimica Industriale;
• Corsi di Laboratorio di Fisica dei Corsi di Laurea in Biologia;
• Corso di Laboratorio di Fisica del Diploma in Scienza ed Ingegneria dei Materiali;
• Parte dei Corsi di Laboratorio di Informatica del Corso di Laurea e Diploma in
Informatica;
• Esercitazioni di Laboratorio di Fisica ed Informatica del Corso di Perfezionamento in
Didattica della Fisica;
In via Mezzocannone 8 è localizzato il Laboratorio utilizzato dagli studenti del I Corso di
laurea in Scienze Biologiche in grado di ospitare circa 100 studenti. Presso la Facoltà di
Ingegneria è ubicato un laboratorio didattico per gli insegnamenti di Fisica dei corsi di
Diploma.
Il Laboratorio dell'Acceleratore (Coord. G. Gialanella, Dir. Tec. L. Campajola) è dotato di
un acceleratore tandem HVEC TTT-3 da 3 MV al terminale in grado di accelerare fasci di
ioni in una grande varietà di masse e cariche. La sala sperimentale è attrezzata con sei canali
di fascio presso i quali si svolgono esperimenti di fisica nucleare fondamentale e applicata,
fisica atomica e radiobiologia. Vi si svolge anche attività didattica per il corso di laurea in
Fisica.
Uno dei canali è attrezzato per la spettrometria di massa ultrasensibile (AMS), "facility" unica
in Italia per la misura del Carbonio 14 con acceleratore.
Il Magazzino (Coordinatore Elio Rosato) è ospitato nei locali 0G7 e 0G8 del Dipartimento di
Scienze Fisiche e ad esso afferiscono due unità di personale, un dipendente universitario ed
uno della Sezione di Napoli dell’INFN, rispettivamente. Il servizio ha come compito
principale l’approvvigionamento, la gestione ed il controllo delle scorte di magazzino. Esso
cura direttamente la distribuzione dei prodotti richiesti dal personale universitario e dagli
afferenti alla Sezione di Napoli dell’INFN, all’Unità di Ricerca dell’INFM ed al CRSFS, che
svolgono la loro attività nell’ambito delle pertinenze del Dipartimento. Per il polo ubicato
presso la Facoltà di Ingegneria il personale del Magazzino effettua, con cadenza settimanale,
la consegna della merce richiesta. Inoltre il servizio ha in carico la spedizione e la ricezione,
unitamente alla documentazione prevista dalla normativa vigente, di tutta la merce e del
materiale in arrivo o in partenza dal Dipartimento. Infine al Servizio Magazzino è affidata la
gestione dei codici di accesso alle fotocopiatrici pubbliche.
27
LABORATORIO DELL’ACCELERATORE
Luigi Campajola
CARATTERISTICHE E UTILIZZAZIONE NEL 2001
L'attività del Laboratorio Acceleratore si è sviluppata nel corso del 2001 con le ricerche
riportate in dettaglio nel presente volume (astrofisica nucleare, biofisica, fisica atomica,
radiobiologia, caratterizzazione di semiconduttori, sviluppo di nuove tecnologie).
Le attuali caratteristiche dell'acceleratore sono:
Un sistema di iniezione dotato di un magnete di preselezione a 35 gradi, un magnete a 15
gradi e tre sorgenti (sputter e RF) capaci di fornire ioni in una grande varietà di masse. Il
generatore di tipo Van der Graaf doppio stadio a cinghia con tensione massima al terminale di
3 MV e sistema di stripper solidi e gassosi.
Un sistema di analisi costituito da un filtro di velocità posto all'uscita dell'acceleratore e da un
magnete di analisi a 90 gradi.
Un sistema di trasporto dei fasci costituito da un magnete switching con sette porte di uscita e
da vari elementi di focalizzazione, monitoraggio e controllo dei fasci. Cinque canali
sperimentali provvisti di varie attrezzature (in funzione degli esperimenti programmati) quali:
camera di scattering, camera PIXE, filtro di velocità, camera a ionizzazione a telescopio ecc.
E' inoltre disponibile lungo la linea di fascio successiva all'analisi magnetica una targhetta
gassosa windowless per lo studio di reazioni nucleari a bassissima sezione d'urto.
Sono disponibili fasci di H, He, Li, Be, B, C, N, O. Su specifica richiesta è possibile
sviluppare la produzione di altri fasci ionici fino a massa 27 (Al).
Nella tabella seguente è riportato in sintesi l'utilizzo dell’acceleratore nell'anno 2001.
Giorni di lavoro:
Giorni di fascio:
Ore di fascio:
corrispondenti a circa:
190
04
850
8h/g
Ripartizione del tempo macchina:
Manutenzione:
Sviluppo + esperimenti:
45% pari a giorni 86
55% pari a giorni 104
Fasci utilizzati: 1H, 7Li, 7Be, 9Be, 11B, 12C, 13C, 14C, 14N, 16O.
Nell’ambito del tempo macchina impegnato per esperimenti è incluso il tempo dedicato alla
didattica (Misure Nucleari, Laboratorio del IV anno e tesi di laurea).
Nel corso del 2001 è proseguita la fase di caratterizzazione del sistema di spettrometria di
massa con la realizzazione di alcune misure di intercalibrazione (reperti già datati o di età nota
a priori).
E’ stato inoltre completato il sistema per il ciclaggio rapido dei fasci ed è stato realizzato il
programma di “automazione” del ciclo di misure 14C.
Per i particolari riguardanti le attività di ricerca si rimanda ai rapporti di attività scientifica
relativi alle sezioni.
Per il 2001 è stata riconfermata l'assegnazione del sig. M.R. Borriello (INFN) al Laboratorio
Acceleratore e nel mese di novembre 2001 è stato assegnato al Laboratorio il sig. M.
Avellino.
28
Il Dottorato di Ricerca in Fisica
Organizzazione dei corsi:
1° Anno:
- Complementi di Fisica: Aspetti Classici
- Complementi di Fisica: Aspetti Quantistici
- Tecniche Sperimentali
- Corsi specialistici
2° Anno
- Corsi specialistici
In aggiunta alle borse di dottorato finanziate dal MURST, l' INFN finanzia annualmente 2
borse di dottorato e, dal XII Ciclo, il Dipartimento offre la possibilità ad Enti ed Istituzioni di
finanziare borse su argomenti di ricerca dedicati.
XIV Ciclo - Coordinatore A. Musto
Collegio dei docenti: E. Bertolucci, A. Covello, B. D’Ettorre, V. Marigliano, G. Marmo, L.
Peliti, R. Pettorino, R. Vaglio
BUONOCORE
CANTELE
COVONE
CUOMO
DEL GADO
DI DONATO
DI MICHELE
ESPOSITO
FABOZZI
Francesco
Giovanni
Giovanni
Francesco
Emanuela
Camilla
Cristiano
Rosario
Francesco
ISGRO’
LANCELLOTTI
NADDEO
NAPOLITANO
ONORATO
PICCIRILLO
PIEDIPALUMBO
RICCI
SABELLA
Giuseppe
Laura
Adele
Nicola R.
Pasquale
Bruno
Ester
Fabrizio
Gianluca
XV Ciclo - Coordinatore A. Sciarrino
Collegio dei docenti: B. Bartoli; N. Lo Iudice, G. Miele; R. Musto; A. Tagliacozzo;
V. Vaccaro; R. Vaglio.
CAIAZZO
CONVENTI
D’AMICO
DELLA PIETRA
DE MICHELE
DE ROSA
DI CAPUA
DI MEO
Antonio
Francesco
Giuseppe
Massimo
Cristiano
Gianfranca
Francesco
Maria Anna
GERMANI
LA BARBERA
PERRONI
RIZZO
RUSCIANO
SAGGESE
SERENO
VELLA
29
Cristiano
Francesco
Carmine Antonio
Tommaso
Giulia
Luigi
Mauro
Angela
XVI Ciclo - Coordinatore A. Sciarrino
Collegio dei docenti: B. Bartoli; N. Lo Iudice, G. Miele; R. Musto; A. Tagliacozzo;
V. Vaccaro; R. Vaglio.
AGOSTINI
BIGLIETTI
CARTARO
CERRONE
DI CAPUA
DI GREZIA
IENGO
IMPONENTE
Alessandra
Michela
Concetta
Gabriella
Roberto
Elisabetta
Paolo
Giovanni
MASTROIANNI
PICA CIAMARRA
PICARDI
QUATTROCCHI
SCARPA
SEVERI
TRIA
30
Stefano
Massimo
Ilenia
Mariagrazia
Francesco M.
Mariano
Francesca
CONVEGNI ORGANIZZATI NEL CORSO DEL 2001
Frammenti di Imparagiocando
Napoli 28 aprile - 05 maggio 2001
Organizzatori: V. Cataudella, F. Di Liberto, R. Vaglio, F. Ventriglia
Rilassamento lento in sistemi complessi
Capri 23-26 maggio 2001
Organizzatore: A. Coniglio
International Workshop on: “Superconducting Nano-Electronics Devices SNED”
Napoli 28 maggio - 02 giugno 2001
Organizzatore: A. Barone
VII international spring seminar on nuclear physics
27-31 maggio 2001
Organizzatore: A. Covello
CORTONA 2001: Convegno Informale di Fisica Teorica
Cortona 30 Maggio - 2 Giugno 2001
Organizzatori: L. Cappiello, G. D'Ambrosio, G. Miele, F. Nicodemi, R. Pettorino, F. Pezzella
VI ATLAS Muon Workshop
Gaeta 10-17 giugno 2001
Organizzatore: S. Patricelli
International Meeting on Quantum Gravity and Spectral Geometry
Napoli 02-07 luglio 2001
Organizzatori: G. Esposito, G. Miele, B. Muratori, B. Preziosi
Strongly Correlated Elecron Systems
Anacapri 29 agosto - 01 settembre 2001
Organizzatori: G. Cristofano, A. Tagliacozzo, G. Maiella
Solar Cycle and Space Weather
Vico Equense 24-29 settembre 2001
Organizzatore: L. Smaldone
1st Tutorial Course on Basics and Applications of Liquid Crystals
Sorrento 30 settembre 01 ottobre 2001
Organizzatori: G. Abbate, (Markus Kreuzer e Marc Warenghem)
IX International Conference on Optics of Liquid Crystals OLC2001
Sorrento 01-06 ottobre 2001
Organizzatore: G. Abbate
Thinkshop on Astronomical Databases and Data Mining
MSA Dipartimento di Scienze Fisiche
21 dicembre 2001
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SEMINARI TENUTI NEL CORSO DEL 2001
1. Prof. Tommaso Aste, INFM e Dip. Di Fisica – Genova
Complex behaviour in “simple” systems
10 gennaio 2001
2. Prof. Antonio Pullia, Università di Milano
Un possibile nuovo esperimento con neutrini al CERN
11 gennaio 2001
3. Prof. Giuseppe Maiella, DSF Napoli, Analogia tra l’effetto hall e la teoria di stringa: sviluppi
recenti 12 gennaio 2001
4. Cosimo Stornaiolo, INFN Napoli
Buchi neri cosmologici
19 gennaio 2001
5. Giovanni Ridolfi (CERN)
Generazione di massa e rinormalizzazione: il meccanismo di Higgs
22 gennaio 2001
6. Luciano Piersanti DSF
Sne Ia: Progenitori Stellari e Meccanismi di Esplosione
22, 23, 24 gennaio 2001
7. Giovanni Ridolfi (Theoretical Division - CERN)
La ricerca del bosone di Higgs
23 gennaio 2001
8. Luis Masperi, Centro Latino-Americano di Fisica - Rio de Janeiro
Modelli di produzione di eventi di alta energia nella radiazione cosmica
24 gennaio 2001
9. Prof. Francesco Guerra, Università di Roma
Metodi di Hamilton - Jacobi nei modelli di vetri di spin in campo medio
26 gennaio 2001
10. Dott. Marco Limongi, Osservatorio di Roma
Evoluzione e nucleosintesi esplosiva di Stelle Massicce
30 gennaio 2001
11. Prof. Piero Bruscaglione, Università di Firenze
Effetti di scattering multiplo nella propagazione di radiazione ottica nell'atmosfera
02 febbraio 2001
12. Prof. Alexander Dolgov, ITEP Mosca e INFN Ferrara
Neutrinos, Oscillations and Big Bang Nucleosynthesis
02 febbraio 2001
13. Prof. Giacomo Rotoli, Università L’Aquila
Electrodynamics, noise and non-equilibrium in Josephson Junction
08 febbraio 2001
14. Prof. Gaetano Vilasi, Università di Salerno
I campi gravitazionali con foglie di Killing bidimensionali
09 febbraio 2001
15. Dott. Gilles Lambare, Ecole Normale Superieure des Mines de Paris
Locally Coherent Events in Seismic Imaging
14 febbraio 2001
16. Dott. Mark Noble, Ecole Normale Superieure des Mines de Paris
French-Japanese 3-d seismic survey of the eastern Nankai subduction zone
14 febbraio 2001
17. Dr. Domenico Giuliano, Università di Stanford
Spinon attraction in spin 1/2 spin chain
16 febbraio 2001
18. Dr. G. Amelino-Camelia, Univ. Roma I
Ultra high energy rays and markarian 501 threshold paradoxes as the first hope of a
manifestation of planck length
32
23 febbraio 2001
19. Dott.ssa Antonella De Ninno, ENEA di Frascati
Esperimenti di fusione fredda basati su una nuova configurazione elettrolitica. Misure di
eccessi di calore e ricerca di tracce di 4He nei gas emessi dalle celle
26 febbraio 2001
20. Prof. Emilio del Giudice, INFN, Milano
Interazioni di campi e.m. di bassa intensità e frequenza con sistemi di ioni
27 febbraio 2001
21. Prof. K. Fredenhagen, Univ. di Amburgo,
Quantum Field Theory on Curved Spacetimes
02 marzo 2001
22. Prof. Paolo Strolin, DSF Napoli
La ricerca di oscillazioni di neutrini sul fascio dal CERN al Gran Sasso e l’esperimento
OPERA
09 marzo 2001
23. Prof. Mario Porrati, New York University
Introduzione alla corrispondenza Ads/CFT e sue generalizzazioni
12, 13, 14 e 15 marzo 2001
24. Prof. Evandro Agazzi, Università di Genova
Scienza, etica e bioetica
12 marzo 2001
25. Prof. Ennio Arimondo, Università di Pisa
"Esperimenti con un condensato di Bose-Einstein di Rubidio"
15 marzo 2001
26. Prof. Lev Shur, Università di Mosca
Diluted Ising Model
15 marzo 2001
27. Prof. Giordano Diambrini Palazzi (Università "La Sapienza" e INFN - Roma)
Evoluzione culturale, sviluppo scientifico e condizione umana alla soglia del terzo millennio
16 marzo 2001
28. Dr. A. Iorio, Università di Salerno
Teorema di Noether supersimmetrico e modello di Seiberg-Witten
16 marzo 2001
29. A. Studenikin, Università Statale di Mosca
Covariant treatment of neutrino oscillations in electromagnetic fields
including matter effects
19 marzo 2001
30. Prof. Mikhail Sazhin, Stenberg Astronomical Institute, Moscow
Accelerator of the Universe, (Observational and theoretical aspects)
21 marzo 2001
31. Dr. Carlo Meneghini, ESRF, Grenoble
Interazione tra struttura, magnetismo e proprietà elettroniche in materiali a magnetoresistenza
colossale
22 marzo 2001
32. Prof. G. Veneziano, CERN e Università di Orsay
Limiti superiori sull’entropia olografia e cosmologia
23 marzo 2001
33. Prof. Ubaldo Bottigli, Università di Sassari
Il Progetto CALMA
26 marzo 2001
34. Dr. Benoit Jouault, CNRS Montpellier
Ionization energy of donors in bulk Ga As
26 marzo 2001
35. Dott. Andreas Stephan, Università di Bochum
A heavy ion micro projector setup for structured high dose ion implantation
33
27 marzo 2001
36. Prof. Mikhail Sazhin, Stenberg Astronomical Institute, Moscow
Present state of the CMBR observations
28 marzo 2001
37. Dott. Salvatore Savasta, Università di Messina
Light-matter interaction in quantum structures: Local optical spectroscopy, strong coupling
regime.
28 marzo 2001
38. Prof. Gershon Kurizki, Weizmann Institute
Dynamical control of quantum tunneling
28 marzo 2001
39. Prof. A. Bottino (Univ. Torino)
Materia oscura supersimmetrica
30 marzo 2001
40. Prof. Roberto Cingolani, Università di Lecce
Hybrid nanotechnologies for optoelectronic devices
04 aprile 2001
41. Dott. Antonio Cioppa, Università di Salerno
Evolutionary Computation: Quasispecies Model and Applications
04 aprile 2001
42. Prof. Lars Bendix, Universita' di Aalborg Ost, Danimarca
Configuration Management for Open Source Software
05 aprile 2001
43. Dr. Vasyl Maidikov, (Dubna)
Radioactive Nuclear Beam Production and the Investigation of the Nuclear-Atomic Effects
05 aprile 2001
44. Prof. Edoardo Del Pezzo, Osservatorio Vesuviano-INGV,
Tomografia sismica mediante onde di scattering: Applicazione in aree vulcaniche
10 aprile 2001
45. Dr. Lorenzo De Michieli, Area trasferimento tecnologico INFM
Il brevetto e la tutela della Proprietà Intellettuale
10 Aprile 2001
46. Prof. Francesca Soramel, Dip. di Fisica, Universita' di Udine
"Decadimenti per emissione di protone di nuclei deformati con Z>50"
19 aprile 2001
47. Prof. Raul Madariaga, Ecole Normale Superieure de Paris
Earthquake source dynamics: the example of the 1992 Landers earthquake in California
20 Aprile 2001
48. Prof. K. Nishijima, Università di Tokyo
The story of massless particles
20 aprile 2001
49. Dr. M. Montuosi, Università di Roma
Clustering in galaxy distribution: comparison of all redshift surveys
20 aprile 2001
50. Arch. Giuseppe Venturini,
Campania 2006: la rivoluzione digitale
23 aprile 2001
51. Dott. Mario Bolognani
Configurazioni e idealtipi di fabbrica del software
23 Aprile 2001
52. Dott. Matteo Paris, Università di Pavia
"Tomografia ottica con metodi di massima verosimiglianza"
23 aprile 2001
53. Prof. Gianfausto Dell’Antonio, Università “La Sapienza”
Teoria dello scattering quantistico: il flusso attraverso superfici
34
27 aprile 2001
54. Dr. M. Bergere (CEA, Service Théorique - Saclay)
Fractional statistics and composite particles
02 maggio 2001
55. Prof. A.P. Balachandran (Syracuse University)
Enquiries about the nature of spacetime
4 maggio 2001
56. Dr. A. Jellal, Univ. Istanbul
Thermodynamical properties of quantum group boson
10 maggio 2001
57. Dr. M. Peloso, Università di Bonn
Gravitino nonthermal production in the inflationary Universe
10 maggio 2001
58. Dr. S. Pastor, Max Planck Inst. Munich
Recent theoretical developments on the Sunyaev-Zeldovich effect
11 maggio 2001
59. Dott.ssa Kerry Gorge, NASA Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, USA
Chromosomal aberrations induced by space radiation in astronauts
14-15 maggio 2001
60. Dott. Neil D. Lawrence, Microsoft Research
Estimating a Kernel Fisher Discriminant in the Presence of Label Noise
15 maggio 2001
61. Dott. G. Santoro, International School for Advanced Studies (SISSA), Trieste
Metodi numerici nello studio della materia condensata
16-17 maggio 2001
62. Dr.ssa Adele Lauria; Dr.ssa Rosangela Palmiero, DSF
Applicazioni di metodologie informatiche per la rivelazione di tumori alla mammella
18 maggio 2001
63. Dr. S. Mele, INFN Napoli
Recent Results from LEP
18 maggio 2001
64. Prof. A.P. Balachandran, Syracuse University,
Fuzzy Physics
18 maggio 2001
65. Il Dr. A. Petkou, Università di Milano
Conformal Field Theory revisited: the AdS/CFT correspondence and what we have learned from
it
25 maggio 2001
66. Prof. J. Gracia-Bondì a, Costa Rica-Mainz
What’s New in Non-Commutative Geometry
25 maggio 2001
67. Prof. S. Refsdal, Hamburg Universitat
Introduction to Cosmology by gravitational lensing
29 maggio 2001
68. Dr. O. Wucknitz, Hamburg Universitat
Degeneracy problem in constraining cosmological parameters
31 maggio 2001
69. Prof. Constantino Tsallis, Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas
What can we do when Boltzmann-Gibbs Statistical Mechanics Fails?
1 giugno 2001
70. Prof. Paolo Calvani, Università di Roma "La Sapienza"
"Proprieta' ottiche dei portatori in cuprati isolanti, metalli e superconduttori"
4 giugno 2001
71. Prof. Bruno Preziosi, DSF Napoli
Sulle ipotesi minime per determinare le trasformazioni di Galileo e Lorentz
35
7 giugno 2001
72. Prof. Alberto Petri, Dipartimento di Fisica dell'Università "La Sapienza";
Fasi vetrose in sistemi senza disordine congelato
5 giugno 2001
73. Dr. T. Arimitsu (Univ. Tsukuba)
Introduction to non extensive thermodynamics
8 giugno 2001
74. Dott. Andrea Gabrielli, Università di Roma "La Sapienza”
Corrosione chimica di solidi disordinati: frattalità auto-organizzata, stati assorbenti e fratture
14 giugno 2001
75. Dr. Béatrice Yvenne, Institute de Physique du Globe, Paris
Mineralogy, microstructure and physical properties of volcanic rocks from the Phlegrean Field
complex - 14 giugno 2001
76. Prof. E.C.G. Sudarshan, Texas University USA
Search for purity and entanglement
15 giugno 2001
77. Dott. Luca Lista, DSF Napoli
Risultati dell'esperimento BaBar sulla violazione di CP e la fisica dei Mesoni B
20 giugno 2001
78. Prof.ssa Charlotte Rowe (Dept. Geology and Geophysics, Univ. Wisconsin)
Improving our interpretation of volcanic eruption signals using automatic waveform crosscorrelation and clustering techniques
21 giugno 2001
79. Prof. V. I Manko, Lebedev Insitute
Star product of quasidistributions and tomograms
22 giugno 2001
80. Dott. A. Mastellone, Università di Catania
Interplay between pairing and exchange forces in small metallic grains
25 giugno 2001
81. Prof.ssa Margarita A. Man'ko, Lebedev Physical Institute di Mosca (Russia)
General scheme of wavelet transforms, tomograms and quasidistributions of analytic signal in
information and image processing
27 giugno 2001
82. Dott. Victor Chernomordik, National Institutes of Health USA
Quantification of optical properties of a breast tumor using random walk theory
28 giugno 2001
83. Dott. Santo Fortunato, Bielefeld Universitat - Germania
Cluster percolation and the deconfining phase transition of SU(2) gauge theory
28 giugno 2001
84. Prof. G. Cicogna, Università di Pisa
Proprietà delle simmetrie delle equazioni differenziali
29 giugno 2001
85. Dr. M. Paris, INFM e Università di Pavia
Meccanica quantistica dei dispositivi ottici semplici
4, 5, 6 luglio 2001
86. Prof. Francesco Dell’Isola
Controllo di sistemi meccanici per mezzo di attuatori piezoelettrici di nuova generazione
09 luglio 2001
87. Prof. R. Mantenga, Università di Palermo
Modelli di mercati finanziari
11 luglio 2001
88. Prof. Igor Kulik, University of Bilkent – Turchia
Resonances in Tunnel Junctions
13 luglio 2001
89. Prof. V.N. Tsytovich, General Physics Institute, Moscow
36
Plasma effects on thermo-nuclear reaction rates in the solar interior
13 luglio 2001
90. Dr. Feodor F. Karpeshin,Università di St. Petersburg (Russia)
The fission dynamics in muon-induced fission
17 Luglio 2001
91. Dr. Mohan Jacob, James Cook University di Townsville, Australia
Microwave Characterisation of Superconducting and Dielectric Materials
18 luglio 2001
92. Prof. Padma Shukla, Fakultaet fuer Physik und Astronomie, Bochum (Germania)
Prospectives of nonlinearly coupled Schroedinger equations
24 Luglio 2001
93. Prof. Maxim Kontsevich (Fields Medal, 1998)
Riemannian Geometry and QFT
07 settembre 2001
94. Prof. Toru Nomura, KEK, Japan
KEK-JAERI ISOL Based RNB Facility
13 settembre 2001
95. Prof. P. Monatti, Università di Crema
Auto-referenza e indimostrabilita` nelle logiche nonmonotone
13 settembre 2001
96. Dr. Plamen Ch. Ivanov, Boston University
Statistical Physics in Physiology: Scaling Analysis and Modeling of Heartbeat Dynamics
18 settembre 2001
97. Prof. Paolo Di Vecchia, NORDITA, Copenhagen
Introduzione alla Teoria di Stringa
24-28 settembre 2001
98. Dr. Mauro Sereno, DSF Napoli
Aspetti teorici e fenomenologici del lensing gravitazionale
02 ottobre 2001
99. Dr. Francesco la Barbera, DSF Napoli
Evoluzione delle galassie in ammassi e redshift intermedio
02 ottobre 2001
100. Prof. A. Armando, Università di Genova
Sintesi di procedure di decisione per la verifica di sistemi
08 ottobre 2001
101. Dr. Antonio Chiazzo, DSF Napoli
Sistemi vetrosi e dinamica fuori equilibrio
11 ottobre 2001
102. Dr. Carmine Perroni, DSF, Napoli
Effetti polaronici in Cuprati e Manganiti
11 ottobre 2001
103. Dr.ssa Giulia Rusciano, DSF, Napoli
Spettroscopia nel vicino infrarosso di molecole di interesse atmosferico
15 ottobre 2001
104. Dr. Giuseppe D’Amico, DSF, Napoli
Spettroscopia laser di molecole di interesse ambientale in fascio supersonico
15 ottobre 2001
105. Dr. Andrea Gamba - Politecnico di Torino
"Dinamica di Burgers e morfogenesi dei vasi sanguigni"
17 ottobre 2001
106. Prof. Mauro Gambaccini, del Dipartimento di Fisica dell'Universita'
Mammografia Dual-Energy
17 ottobre 2001
107. Prof. Ingo Hoffmann, Gesellschaft fuer Schwerionenforschung (GSI -Darmstadt)
Perspectives of an international radioactive beam facility at GSI
37
18 ottobre 2001
108. Prof. Sergio Caparra, Universita' di Roma "La Sapienza"
Effetto isotopico anomalo nei superconduttori ad alta temperatura critica
18 ottobre 2001
109. Prof. Vladimir Lukash, Astro Space Center - Mosca
Cosmological parameters for CMB and LSS
19 ottobre 2001
110. Prof.ssa Heide Narnhofer, Universitat Wien, Austria
Quantum Theory on the two dimensional torus with magnetic field
19 ottobre 2001
111. Dr.ssa G. De Rosa, DSF Napoli
Produzione di charm in interazioni di antineutrino
22 ottobre 2001
112. Dr. F. Di Capua, DSF, Napoli
Misura della sezione d’urto totale di produzione quasi-elastica di charm nell’esperimento
CHORUS, 22-23 ottobre 2001
113. Prof. Julio Guerrero, Instituto de Fisica Teorica, Universidad de Granata
Applications of symplectic scattering to gravitational lensing
26 ottobre 2001
114. Prof. Joseph Varilly, Università del Costa Rica
Quantum Homogeneous spaces and their symmetries
26 ottobre 2001
115. Prof. Giuseppe Longo, DSF, Napoli
Astronomia con l’osservatorio virtuale
22 novembre 2001
116. Dr. Angela Vella, DSF, Napoli
Studio delle dinamiche indotte in un cristallo liquido da un fascio laser
29 ottobre 2001
117. Dr. Cristiano De Michele, DSF, Napoli
Relazione fragilità e potenziale di interazione in liquidi semplici sottoraffreddati
29 ottobre 2001
118. Prof. Marco Bruni
Cosmic no-hairs second order perturbations of the sitter
29 ottobre 2001
119. Dr. Francesco Conventi, DSF, Napoli
Il trigger di muoni di primo livello dell'esperimento Atlas a LHC
30 ottobre 2001
120. Dr. Massimo Della Pietra, DSF, Napoli
Test delle prestazioni di rivelatore RPC del sistema di trigger per l'esperimento ATLAS
a LHC - 30 ottobre 2001
121. Dr. Luigi Maggese, DSF, Napoli
Misura dello spettro dei protoni della radiazione cosmica primaria tra 10-200 TeV con
l'esperimento ARGO - 31 ottobre 2001
122. Dr. Tommaso Rizzo, DSF Napoli
Variazioni di Temperatura nei Vetri di Spin
31 ottobre 2001
123. Prof. Ennio Arimondo, Università di Pisa
Ottica quantistica: Napoli e Pisa
5 novembre 2001
124. Prof. Fabio Vitali, Università di Bologna e del CNR-IAT
Uso dell'XML per l'accesso alla legge: esperienze italiane e straniere
6 novembre 2001
125. Dr. Horacio Casini, CONICET, Argentina e CNRS Luminy
Francia, Solar Neutrinos as a Test of Violation of the Equivalence Principle
9 novembre 2001
38
126. Dr. Jean-Francois Perrot, Université de Paris VI
Trasformazioni di meta-modelli
12 novembre 2001
127. Dr.ssa Chiara Ghiaini, Department of Computer Science, University of Liverpool
A Formal Framework for Information Integration
13 novembre 2001
128. Dr. Miguel Onorato, Dipartimento di Fisica dell’Università di Torino
Dinamica non lineare delle onde estreme sulla superficie del mare
16 Novembre 2001
129. Prof. Ilya F.Ginzburg, Sobolev Institute of Novosibirsk, Russia
CHARGE ASYMMETRY IN e+e-, ep, gamma p COLLISIONS
16 Novembre 2001
130. Dr. Massimo Capone, Università di Roma "La Sapienza”
Superconduttività in prossimità di una transizione metallo-isolante
22 novembre 2001
131. Stanislav Alexeev, Sternberg Astronomical Institute
Primordial Black Hole Relics in String Gravity
23 Novembre 2001
132. Prof. Sabino Matarrese, Università di Padova
L’energia oscura dell’Universo
23 novembre 2001
133. Dott. Romeo Brunetti (Univ. Napoli)
Time Operator in Quantum Mechanics
30 novembre 2001
134. Prof. Michel Bergére, del CNRS di Saclay
Dunkl operators in Calogero-Sutherland and Ruijsenaar-Schneider models
7 dicembre 2001
135. Prof. John Madore, Université Paris Sud
Towards a Non-commutative Theory of Gravity
7 dicembre 2001
136. Prof. John Madore, Université di Paris Sud,
Towards a noncommutative theory of gravity – II
11 dicembre 2001
137. Dott. Alessandro G. Ruggiero, Brookhaven National Lab (Upton, NY)
The Circular Radio-Frequency Quadrupole Storage and Accelerator Ring: the principles and the
applications
13 dicembre 2001
138. Dott. Alessandro G. Ruggiero, Brookhaven National Lab (Upton, NY)
La Scuola napoletana di Fisica degli acceleratori, nata intorno a Vittorio Vaccaro
14 dicembre 2001
139. Dr. Nicola Maghelli, Università di Ulm
Optical tweezers: principles and applications
18 dicembre 2001
140. Dr.ssa Ofelia Pisanti (Napoli)
High Energy Neutrino Physics and the Auger Experiment
21 dicembre 2001
39
40
ASTROFISICA
E FISICA DEI PLASMI
(Responsabile di sezione: Prof. Massimo Capaccioli)
41
42
Nel corso del 2001, l’attività della Sezione di Astrofisica e Fisica dei Plasmi ha riguardato,
oltre che i tradizionali filoni di fisica solare, fisica delle galassie e cosmologia osservativa,
rivelazione di onde gravitazionali, fisica dei plasmi, anche l’applicazione di tecniche di
intelligenza artificiale al data mining astronomico e l’analisi delle serie temporali.
Le varie attività svolte dal personale della sezione e dai collaboratori esterni sono riassunte
secondo il seguente schema:
1. Fisica solare
2. Fisica delle galassie e cosmologia osservativa
3. Data mining astronomico
4. Rivelazione di onde gravitazionali
5. Diagnostica di fasi evolutive stellari
6. Sensoristica ambientale
7. Fisica dei plasmi
FISICA SOLARE
C. Marzolino, L.A. Smaldone
Questa attività di ricerca, che si svolge in stretta collaborazione con ricercatori
dell’Osservatorio Astronomico di Capodimonte e nell’ambito di numerose collaborazioni
internazionali, riguarda i seguenti argomenti:
1. Eliosismologia. E’ proseguito il lavoro – sia teorico che sperimentale - sulle relazioni
di fase tra due o più parametri fluidodinamici quali la velocità e l’intensità nella riga e
nel continuo che caratterizzano le oscillazioni solari e, in particolare, lo studio delle
differenze di fase tra intensità e velocità nei modi p misurati da vari strumenti
eliosismologici a bordo del satellite SOHO. I risultati ottenuti confermano l’esistenza
di un comportamento non adiabatico ed il confronto con tre diversi modelli teorici
dell’atmosfera solare ha permesso di isolare un modello che tiene conto degli effetti di
una pressione turbolenta legata alla convezione ed alle fluttuazioni del gradiente di
temperatura superadiabatico. E’ inoltre proseguita l’attività di ottimizzazione dello
strumento VAMOS per la misura di oscillazioni solari sia in intensità che in velocità.
2. Regioni attive solari. L’attività solare è associata alla comparsa di campi magnetici
alla superficie del Sole, alla loro evoluzione temporale e spaziale, ed alla loro
interazione con i moti del plasma che, a loro volta, sono direttamente connessi con la
convezione. L’efficacia dell’interazione tra campi magnetici e campi di velocità è
massima in corrispondenza della cromosfera e della fotosfera solari che, inoltre, sono
anche gli strati dell’atmosfera solare che possono essere studiati in maggior dettaglio.
Le ricerche si sono focalizzate in particolar modo sulla caratterizzazione fisica delle
tracce lasciate dai flare solari e, in particolare, sulla messa a punto di strumenti per la
diagnostica bidimensionale. Per quanto concerne gli aspetti sperimentali, in
collaborazione con Y. Suematsu del National Astronomical Observatory del Giappone
e con K.S. Balasubramamian del National Solar Observatory (USA), è stato sviluppato
uno spettrografo bidimensionale (IBIS) basato su un innovativo array di 50x50
microlenti. Lo strumento è stato poi collaudato al R.D. Dunn Vacuum Tower
Telescope e, nell’ambito di numerose collaborazioni internazionali, è attualmente in
fase di acquisizione dei dati. Si sta inoltre verificando la possibilità di installare IBIS
al fuoco del telescopio Franco-Italiano THEMIS.
43
3. Un sottoprodotto delle precedenti ricerche è stato lo studio della possibilità di usare i
diagnostici dell’attività solare per la caratterizzazione delle perturbazioni della
geosfera indotte dall’attività e dal vento solari.
4. Al fine di ottenere una migliore caratterizzazione dell’attività si stanno esplorando
nuovi strumenti diagnostici per il monitoraggio. In particolare, utilizzando il codice
messo a punto da M. Carlsson, si è approfondita l’interpretazione degli
spettroeliogrammi in una riga del SiI (multipletto #3) a 3905.5 A che sembra offrire
numerosi vantaggi in termini di risoluzione spaziale e in velocità rispetto ad altri
diagnostici tradizionali quali, ad esempio, la riga K del CaII.
5. Nel corso del 2001 il gruppo è inoltre entrato a far parte del progetto franco-italiano
CONCORDIASTRO per la qualificazione del sito antartico Dome C.
Pubblicazioni
B. Schmieder, L. Smaldone, “Foreword to the SOLSPA 2001 Conference”,
Smaldone L., Scognamiglio O., Balasuramaniam K.S., Mem. SAIt, 2001, 72, 553
Convegni organizzati dalla Sezione:
o
o
21 dicembre 2001, Thinkshop on Astronomical Databases and Data Mining, Complesso Universitario di
Monte Sant’Angelo, Dipartimento di Scienze Fisiche
24-29 settembre 2001, “Second Solar Cycle and Space Weather Euroconference”,Vico Equense, Italy.
Libri scientifici e capitoli di libri
M. Capaccioli, La Forma delle Galassie, Fabbri Editore, dicembre 2001
G. Longo, Il Gruppo Locale, Fabbri Editore, ottobre 2001
M. Capaccioli e G. Longo, La Scienza a Napoli nel Periodo Borbonico, in I Borbone a Napoli, ed. A.
Gambardella
FISICA DELLE GALASSIE E COSMOLOGIA OSSERVATIVA
M. Capaccioli, G. Longo
Attività 2001
Molta parte di quest’attività di ricerca si è svolta in collaborazione con ricercatori
dell’Osservatorio Astronomico di Capodimonte (INAF), con altri gruppi di ricerca del
Dipartimento di Scienze Fisiche (Sezione di Fisica Teorica) e con ricercatori del Dipartimento
di Matematica ed Informatica dell’Università di Salerno.
1 . Progetto VST e sottoprogetti tecnologici ad esso collegati
Il VLT Survey Telescope o VST (P.I. M. Capaccioli) è un telescopio di 2.6 metri di diametro,
interamente dedicato alle survey che, a partire, dal 2003 diverrà operativo sul Cerro Paranal
(in Cile) su quello stesso pianoro che ospita il Very Large Telescope o VLT dell’ESO. Il VST
sarà corredato di una camera CCD a mosaico da 16 k x 16 k costruita nell’ambito del
consorzio europeo OMEGACAM e produrrà un flusso di dati stimato in circa 100 GB per
44
notte di osservazione. Tali dati dovranno essere ridotti in tempi brevi (dell’ordine delle 6-12
ore) ed è dunque evidente la necessità di dotarsi per tempo di un adeguato software per
l’archiviazione e la preriduzione dei dati. Tale problema è stato affrontato nell’ambito dei
progetti ASTROWISE (P.I. italiano M. Capaccioli) e COFIN – MIUR 1998-2000 (P.I. M.
Capaccioli) per quanto riguarda la pipeline di preriduzione e la realizzazione di un polo
nazionale per l’archiviazione dei dati di survey e nell’ambito del progetto AstroVirtual (P.I G.
Longo), per quanto invece concerne il data mining.
Malgrado un lieve ritardo dovuto all’accidentale rottura dello specchio primario nel corso del
trasporto dalla ditta Lytkarino (Russia) al Sud America (responsabilità dell’ESO), il progetto
VST sta rispettando tutte le scadenze previste. Nel corso del 2001, infatti, è stata ultimata la
costruzione della meccanica dello strumento ed è proseguita la massa a punto delle
elettroniche e del software di controllo sia del telescopio che della camera OMEGACAM.
2. Progetti OAC-DF e VST 300 Mpc Survey
Nel corso del 2001 è stata ultimata la riduzione dei dati relativi allo OAC – Deep Field (OACDF). Tale progetto, inizialmente concepito come banco di prova per la riduzione ed analisi dei
dati ottenuti nell’ambito di grandi survey astronomiche, è consistito nell’acquisizione di un
campo profondo di circa 1°x1° con il Wide Field Imager (WFI) installato al telescopio da 2.2
m dell’ESO. Il campo è stato osservato in tre bande fotometriche large (B, V ed R) e sette
bande di larghezza intermedia nella regione del rosso e del vicino infrarosso. L’OAC-DF
oltre a servire per la messa a putno degli algoritmi e delle tecniche che saranno usate per i dati
del VST ha permesso di avviare numerose linee di ricerca che saranno cruciali per le future
survey con VST. In particolare: i) ricerca e caratterizzazione di lenti gravitazionali; ii) ricerca
di nane bianche d’alone; iii) ricerca e caratterizzazione di ammassi e gruppi di galassie; iv)
selezione fotometrica e follow-up spettroscopici di candidati QSO di alto redshift e di tipo 2;
iv) ricerca di transienti astrometrici (asteroidi) e fotometrici (stelle e AGN variabili). Alcune
di queste ricerche saranno illustrate in maggior dettaglio nei paragrafi successivi.
Nel corso del 2001 è anche proseguita la definizione dei parametri osservativi della cosiddetta
“VST 300 Mpc Survey”, che sarà realizzata utilizzando una cospicua frazione (ca. 50%) del
tempo garantito di osservazione con il VST. La VST Survey coprirà un’area di circa 200 gradi
quadrati in cinque bande fotometriche (u, g, r, i, z) e sarà utilizzata per un’ampia serie di
applicazioni scientifiche.
3. Proprietà dinamiche e fotometriche delle galassie “early-type”
Sono proseguiti gli studi sulla dinamica delle regioni esterne delle galassie ellittiche e delle
regioni intracluster basati sull’utilizzo come traccianti cinematici delle nebulose planetarie. A
tal fine, è stata ultimata la costruzione di uno spettrografo nebulare che è stato collaudato con
successo al fuoco del telescopio anglo-canadese W. Herschel (Isole Canarie). Osservazioni
ottenute con questo strumento e con i telescopi dell’ESO ed Anglo-Australiano (da 3.6 m)
hanno permesso di ampliare il campione di oggetti finora osservati e di identificare una
cospicua popolazione di oggetti le cui proprietà verranno approfondite nel corso di studi
successivi.
4. Le proprietà dei gruppi e degli ammassi di galassie
In tale settore, è giunta a conclusione la seconda parte di un progetto pluriennale finalizzato a
misurare i parametri del cosiddetto “piano fondamentale” a redshift intermedi (z<1.0). I
risultati fin qui ottenuti hanno permesso di: i) confermare che l’inclinazione del PF è solo in
45
parte dovuta ai fenomeni di non-omologia; ii) che un’accurata analisi di dati ottenuti con
strumenti terrestri (ESO NTT e ESO VLT) consente di ottenere risultati confrontabili con
quelli ottenuti dallo spazio (HST); iii) che a redshift intermedio (z ca. 0.3) la distribuzione dei
raggi lineari delle “early-type” è confrontabile con quella che si osserva nell’universo vicino.
L’analisi dei colori, infine, ha permesso di dimostrare sia l’esistenza di pronunciati gradienti
di colore (ottico-IR), sia che nel vicino IR (banda K) le galassie a redshift intermedio
appaiono essere più centralmente condensate di quelle dell’universo locale.
La messa punto di un innovativo approccio allo studio della distribuzione delle galassie ha
inoltre permesso di determinare i parametri morfologici (forma, schiacciamento, raggio di
core, ecc.) per un campione di circa 30 ammassi compatti di galassie. Tali dati consentono di
ottenere informazioni accurate anche sulla maggiore o minore frequenza del fenomeno di
“sub-clustering” e di porre limiti osservativi ai possibili modelli cosmologici.
E’ stato inoltre avviato lo studio dell’emissione X di un campione selezionato di gruppi
compatti. Scopo di questo studio è la caratterizzazione dello stadio dinamico di queste
strutture tramite il confronto tra le proprietà nell’ottico e quelle dell’emissione X diffusa. Una
prima applicazione al gruppo noto come Hickson 90 ha permesso di dimostrare che esso si
trova in una fase relativamente avanzata del processo di merging.
5. Studio della struttura su Larga scala
Lo studio dei dati della Digitised Palomar Sky Survey (POSS-II) ha permesso di costruire un
campione statisticamente ben controllato di tutte le strutture (gruppi ed ammassi di galassie)
esistenti all’interno di un’area di ca. 300 gradi quadrati e con una profondità in redshift di 0.2.
Tale campione è stato poi utilizzato per ricavare un’accurata funzione di molteplicità (densità
angolare delle strutture in funzione della loro ricchezza) che permette di ottenere una
misurazione diretta dell’esponente dello spettro delle perturbazioni primordiali.
In collaborazione con colleghi della sezione di Fisica Teorica, del TNG (G. Covone) e del
Caltech (G. Djorgovski) è proseguita la ricerca di QSO di alto redshift e di QSO di tipo 2 a
partire da cataloghi multibanda estratti dalla DPOSS dati della DPOSS. Numerosi follow-up
telescopici ottenuti con il telescopio nazionale Galileo (TNG) hanno consentito di identificare
circa 10 QSO con redshift >4 e due QSO di tipo 2. Scopo ultimo di questa ricerca è la
derivazione della funzione di luminosità dei quasar.
Di altre ricerche, relative alla derivazione dei redshift fotometrici, allo studio dei voids e dei
fenomeni di lensing gravitazionale ed al loro utilizzo ai fini della determinazione dei
parametri cosmologici si dirà nel paragrafo successivo ed in altre sezioni di questo rapporto
(Sezione di Fisica Teorica).
Programma 2002
Per quanto riguarda le linee programmatiche generali, nel corso del 2002 si intende proseguire
l’attività fin qui svolta e porre particolare enfasi sulla pianificazione della futura survey con
VST (a tal riguardo è stata presentata una richiesta di finanziamento COFIN-MIUR ; P.I.
nazionale M. Capaccioli e P.I. locale: G. Longo). Si prevede, inoltre, di ultimare l’analisi dei
dati acquisiti nel corso del 2001 e di completare la messa a punto degli algoritmi fino ad oggi
implementati. Più in dettaglio:
1 - Si intende implementare tutti gli algoritmi (maximum likelihood, magnitudine colore,
friend of friend, sovradensità, bayesiani, etc.) più comunemente usati per l’identificazione di
gruppi ed ammassi di galassie, sia a partire da dati proiettati che da dati 3-D, e di confrontarne
le prestazioni applicandoli ad uno stesso dataset estratto dalla SDSS. Ciò, oltre a permettere
l’identificazione dell’algoritmo ottimale da usare nell’ambito della VST Survey, consentirà di
46
costruire un campione completo in volume di aggragati di galassie da usare per i seguenti
scopi: i) derivazione di una funzione di molteplicità spaziale e caratterizzazione morfologica
di un campione completo di ammassi tramite la derivazione dei raggi di core, dei profili
radiali e del grado di subclustering; ii) studio della dipendenza della funzione di luminosità
degli ammassi dalla densità dell’ambiente; iii) studio delle correlazioni tra emissione X e
caratteristiche ottiche degli ammassi (in coll. con M. Paolillo e E. Shreier, Space Telescope
Science Institute).
2 – Si prevede di utilizzare lo spettrografo nebulare per: i) ampliare il campione di galassie
early type con informazioni cinematiche nelle regioni più esterne e di usare tali dati per
caratterizzare meglio lo stato dinamico e la storia evolutiva di questi oggetti; ii) studiare un
certo numero di regioni intracluster al fine di porre stretti limiti osservativi alle caratteristiche
della popolazione intra-cluster.
3 – Approfondire lo studio dello stato dinamico dei gruppi compatti di galassie tramite
l’osservazione nella banda X e nell’ottico dei deboli aloni luminosi (prodotti rispettivamente
dal gas caldo e dalle stelle intra-ammasso) che in alcuni casi li inviluppano ed utilizzare tali
dati per caratterizzarne lo stato dinamico. Per le loro dimensioni angolari, tali oggetti sono
bersagli ideali per strumenti a grande campo quali il WFI dell’ESO o il VST.
4 – Proseguire il lavoro sull’OAC-DF tramite una serie di follow-up spettroscopici mirati a
caratterizzare gli oggetti peculiari (lenti gravitazionali, candidati quasar, etc.) in esso presenti.
Pubblicazioni
1. Napolitano N. R., Arnaboldi M., Freeman K. C., Capaccioli M., “Planetary nebulae as mass tracers of their
parent galaxies: Biases in the estimate of the kinematical quantities”, 2001, Astron. & Astrophys., .377, 784
2. Iodice E., D'Onofrio M., Capaccioli M., “Structure of Early-Type Galaxies”, 2001, Astrophys. & Space Sci.,
276, 869
3. Kudritzki R.-P., Matthias M., Freeman, K. C.; Arnaboldi, M., Capaccioli M., Gerhard, O. E., “Detection,
Photometry, and Slitless Radial Velocities of 535 Planetary Nebulae in the Flattened Elliptical Galaxy NGC
4697”, 2001, Astrophysical Journal, 563, 135
4. Paolillo M., Andreon S., Longo G., Puddu E., Gal R. R., Scaramella R., Djorgovski S. G., de Carvalho R.,
“Luminosity function of clusters of galaxies”, 2001, Astron. & Astrophys., 367, 59
5. Puddu E., Andreon S., Longo G., Strazzullo V., Paolillo M., Gal R. R., “Photometric validation of a model
independent procedure to extract galaxy clusters”, 2001, Astron. & Astrophys., 379, 426
Comunicazioni a congressi
1. Capaccioli M., Alcalá J.M., Longo G., Mancini D., Sedmak G., Silvotti R., “The Present: Capodimonte
Deep Field. The Future: Science with VST”, in proceed. “Deep Fields, Proceedings of the ESO/ECF/STScI
Workshop, S. Cristiani A. Renzini & R.E. Williams (eds.). Springer, 2001, p. 259.
2. Napolitano N. R., Arnaboldi M., Capaccioli M., “Application of Discrete Radial Velocity Fields to Map the
Dynamics of Elliptical Outer Halos”, in Galaxy Disks and Disk Galaxies, ASP Conference Series, Vol. 230,
J. Funes & E.M. Corsini (eds.), 2001, pp. 561-562
3. Capaccioli M., Mancini D., Sedmak G., “The VST Project Status”, in The New Era of Wide Field
Astronomy, ASP Conference Series, Vol. 232, R. Clowes A. Adamson & G. Bromage, 2001, p.368
4. Testa V., Sabatini S., Scaramella R., Longo G., Djorgovski S. G., Gal R. R., Brunner R. J., de Carvalho R.
R., “Automated Search of LSB Galaxies in DPOSS (CRoNARio Project): Method and First Results from
Follow-Ups”, in Proceed. of Mining the Sky, A.J. Banday S. Zaroubi & M. Bartelmann (eds.), SpringerVerlag, 2001., p. 577
5. Piranomonte S., Longo G., Andreon S., Puddu E., Paolillo M., Scaramella R., Gal R.R., Djorgovski S.G.,
“The Luminosity Function of 80 Abell Clusters from the CRoNaRio Catalogs”, in Virtual Observatories of
the Future, ASP Conference Proceedings, Vol. 225, R.J. Brunner S. George Djorgovski & A.S. Szalay (eds.),
p.73
6. Puddu E., Strazzullo V, Andreon S., Longo G., de Filippis E., Gal R.R., Djorgovski S.G., Scaramella R.,
“Group and luster Detection in DPOSS Catalogs”, in Virtual Observatories of the Future, ASP Conference
Proceedings, Vol. 225, R.J. Brunner S. George Djorgovski & A.S. Szalay (eds.), p. 80
47
DATA MINING ASTRONOMICO
M. Capaccioli, G. Longo, L. Milano
Queste ricerche sono svolte in collaborazione con ricercatori del Dipartimento di Matematica
ed Informatica dell’Università di Salerno e dell’INAF (Osservatorio Astrofisico di Trieste).
Nel corso del 2001 l’attività del gruppo si è concentrata sulla messa a punto di strumenti
neurali per la risoluzione di problemi di “clustering” e “pattern recognition” in grandi basi di
dati multiparametrici. Parte dell’attività è stata svolta nell’ambito di un contratto ASI e di un
COFIN-MIUR (1998-2000, P.I. M. Capaccioli) e dell’azione europea COST 283.
1. Progetto AstroVirtual
E’ stato realizzato un prototipo in ambiente MatLab di uno strumento che permette l’utilizzo
di varie architetture neurali (MultiLayer Perceptron, Self Organizing Maps, Generative
Topographic Mapping, etc.). Il package è estremamente “user-friendly” e, grazie l’utilizzo di
strumenti avanzati per la visualizzazione degli stati intermedi e dei risultati finali consente di
lavorare su spazi di alta dimensionalità (fino a N=250) e di operare in modalità sia
supervisionata che non supervisionata. Il prototipo è stato applicato ad una varietà di problemi
scientifici:
1. Determinazione di Redshift fotometrici. Si è implementato un software che, a partire da
dati di survey miste (fotometria+ spettroscopia) ed a prezzo di carichi computazionali
molto minori, consente di derivare i redshift fotometrici con un’accuratezza (r.m.s. z ca.
0.02) confrontabile con quella dei principali software attualmente esistenti. L’applicazione
ai dati della Sloan Digital Sky Survey Early Data Release ha consentito di derivare la
mappa tridimensionale di una porzione dell’universo vicino (con z<0.5) e l’estrazione di
un catalogo di strutture (gruppi ed ammassi di galassie).
2. Data quality per il Long Term Archive del Telescopio Nazionale Galileo. E’ stata avviata
una linea di ricerca finalizzata all’estrazione di informazioni sulla qualità delle
osservazioni a partire dai dati di telemetria del telescopio e delle condizioni ambientali. I
primi risultati mostrano l’esistenza di una stretta correlazione.
3. Altre applicazioni. Si è avviato lo studio della possibilità di applicare il software
AstroVirtual, insieme ad alcuni package per le ICA lineari e non lineari, al riconoscimento
e classificazione automatica di eventi di decadimento neutrinico.
2. Analisi di serie temporali
E’ proseguita la messa a punto di strumenti neurali per il riconoscimento di periodicità
all’interno di curve di luce di oggetti celesti. Tali strumenti sono poi stati applicati all’analisi
di curve di luce di stelle variabili e di AGN. E’ stata inoltre avviata l’analisi sistematica delle
curve ottenute nel dominio radio per un campione di BL Lac. I primi risultati hanno portato
alla rivelazione di periodicità in un piccolo numero di oggetti. Tali periodicità saranno
utilizzate per porre limiti osservativi ai modelli di attività nucleare.
Programma 2002
Si prevede di realizzare una versione definitiva e portabile del software AstroVirtual e di
applicare lo stesso ai seguenti problemi: i) data quality assessment nell’ambito del progetto
ESO/ESA GOODS; ii) di definire gli standard per il LTA del TNG; iii) di approfondire lo
studio di periodicità in curve di luce di AGN; in collaborazione con altri colleghi del
48
Dipartimento di Scienze Fisiche e dell’Università di Palermo, si prevede di avviare un
programma di ricerca nell’ambito del 6-th European Framework.
Pubblicazioni
R.Tagliaferri, N.Pelosi, A.Ciaramella, G.Longo, M.Milano, F.Barone, "Soft Computing methodologies for
spectral analysis in cyclostratigraphy”, 2001, Computer & Geosciences, 27, p.535-548.
Relazioni su invito a convegni
1. Longo G., Tagliaferri R., Sessa S. Ortiz P., Capaccioli M., Ciaramella A., Donalek C., Raiconi G., Staiano
A., Volpicelli A., “Advanced data mining tools for exploring large astronomical databases”, Proc. SPIE Vol.
4477, p. 61-75, Astronomical Data Analysis, Jean-Luc Starck; Fionn D. Murtagh; Eds. 2001
2. Longo G., Tagliaferri R., Andreon S, “NExt (Neural Extractor): a New Automated Tool for Extracting
Catalogues from Astronomical Images”, in Proceed. of Mining the Sky, A.J. Banday S. Zaroubi & M.
Bartelmann (eds.), Springer-Verlag, 2001., p.379
1. Tagliaferri R. , Longo G., Iovane G., “Extraction of catalogs from astronomical images”, Proc. SPIE Vol.
4477, p. 107-115, Astronomical Data Analysis, Jean-Luc Starck; Fionn D. Murtagh; Eds. 2001
2. Tagliaferri R., Ciaramella A., Barone F., Longo G., Milano L., “Neural Networks for Spectral Analysis of
Unevenly Sampled Data”, in Proceed. of Mining the Sky, A.J. Banday S. Zaroubi & M. Bartelmann (eds.),
Springer-Verlag, 2001., p. 386
RIVELAZIONE DI ONDE GRAVITAZIONALI
F.Acernese, F.Barone, E.Calloni, R. De Rosa, A. Eleuteri, L . Di Fiore, L. Milano, R. Tagliaferri
Attività 2001
L'attività in questo campo è essenzialmente sperimentale e si svolge nell'ambito del progetto
VIRGO per la rivelazione di onde gravitazionali, un interferometro a larga base (3km) in fase
di costruzione a Cascina (Pisa) che sarà pienamente operativo verso la fine del 2002. Oltre
che nella costruzione vera e propria dell'antenna che comporta la realizzazione di sottosistemi
di cui si ha la responsabilità e di vari test di assieme, si sta operando attivamente anche nello
sviluppo e test di algoritmi per l'analisi dati gravitazionali e portando avanti un R&D in vista
dello sviluppo di interferometri di seconda generazione. La realizzazione ed i test dei
sottosistemi da utilizzare in Virgo e di cui si ha la responsabilità (4690 Transfer Function
Measurement; 5510 Raw Data Archiving; 5520 Data Distribution; 5810 Buildings
Monitoring; 5820 Environment Monitoring, 5900 Software Tools - Data Distribution) sta
procedendo nei tempi previsti. In particolare:
-
Il sistema per la Transfer Function Measurement è stato esteso anche ad altri super
attenuatori dell’interferometro centrale di VIRGO.
E’ stata implementata una prima versione del sistema di Raw Data Archiving, attualmente
in fase di test per lo storage permanente dei dati acquisiti durante gli Engineering Run di
VIRGO effettuati verso la fine del 2001.
49
-
-
Il sistema di Data Distribution è stato completato ed è tuttora in fase di test
nell'acquisizione di grosse moli di dati.
Nell’ambito del Buildings Control e’ in corso la fase di messa a punto dei sensori di
pressione e umidità ambientale. Il sistema di acquisizione distribuita della temperatura
ambiente è invece già perfettamente funzionante ed integrato con il sistema globale di
acquisizione dati sul sito di VIRGO.
Nell’ambito dell’Environmental Monitoring, dopo la fase di messa a punto, compiuta nei
laboratori locali, sono stati installati sul sito di Cascina dei sensori accelerometrici per il
monitoring del rumore sismico.
Per quanto riguarda l'R&D per VIRGO:
-
-
-
Si sta procedendo alla progettazione ed alla verifica sperimentale della possibilità di
utilizzazione di attuatori elettrostatici per la movimentazione delle masse test di Virgo
dalla massa di riferimento in sostituzione degli attuali attuatori bobina-magnete, molto
sensibili alle perturbazioni elettromagnetiche ambientali (fulmini, nubi temporalesche,
ecc.).
Si sta procedendo allo studio ed alla realizzazione di controlli digitali veloci per la
realizzazione di un sistema di controllo del locking e del laser in alta frequenza
completamente digitale.
E’ in corso di sperimentazione la possibilità di utilizzare un sistema basato sull’ottica
adattiva per la correzione di aberrazioni geometriche dei fasci laser.
Al fine di espletare tali attività in modo coordinato con i gruppi partecipanti all’esperimento
Virgo e realizzare un R&D già orientato verso applicazioni sperimentali sull’antenna Virgo e
su antenne interferometriche di seconda generazione si è proceduto alla progettazione di un
ampliamento dell’originario interferometro da 3 m presente nel Laboratorio Virgo. Obiettivo
principale è quello di realizzare una facility di riferimento sia per la collaborazione Virgo, ma
anche per tutti i gruppi nazionali ed internazionali interessati allo studio e sviluppo di nuove
metodologie ottiche, elettroniche e meccaniche orientate a di migliorare la sensibilità degli
attuali e dei futuri interferometri per la rivelazione di onde gravitazionali.
Infine, nell'ambito della Data Analysis il gruppo di Napoli coordina due settori:
1 - ricerca di segnali provenienti da sistemi binari coalescenti
Tale attività prevede lo studio e lo sviluppo di procedure per la identificazione di segnali
gravitazionali emessi da tali sorgenti. In tale ambito di ricerca sull'analisi dati di segnali
gravitazionali emessi da pulsar e da binarie coalescenti si sono implementati dei metodi che
potrebbero risolvere molti dei problemi che presenta l'analisi convenzionale.
L’attività in corso in questo settore è divisa in diversi filoni di ricerca:
- Studio ed applicazione di metodologie innovative, basate sull’utilizzo delle reti neurali,
per il whitening del segnale dell’interferometro.
- Analisi del segnale gravitazionale con l’utilizzo di tecniche alternative ai matched filters,
quali: statistical peak detection, enhanced adaptive filters e algoritmo di Price.
- Studio dell’applicabilità delle neural gas per la riduzione del numero di templates
necessari per la ricerca di binarie coalescenti. Una riduzione significativa di questo
numero consente infatti l’utilizzo di una farm di calcolatori per la selezione di candidati
all’interno del segnale fornito dall’interferometro.
- Analisi delle prestazioni di farm di calcolatori per il calcolo parallelo tramite l’utilizzo di
tools come PVM, MPI e MOSIX.
50
2 - progettazione e realizzazione del sistema di Data Quality di Virgo
Tale sistema è necessario per identificare le sorgenti di rumore sia ambientale che
internamente generate presenti in Virgo ed attribuire un coefficiente di qualità ai dati ottenuti
che tenga conto di questi effetti. Anche in questo caso si sta valutando in maniera
approfondita la possibilità di utilizzare reti neurali appositamente progettate.
Programma 2002
Si continuerà l'attività di montaggio e test presso l'esperimento VIRGO, sia del sistema di
monitoraggio ambientale sia del sistema di archiviazione e distribuzione dati nonché nella
sperimentazione di algoritmi di analisi dati e sviluppo di reti neurali per l'estrazione di segnale
dal rumore. Si proseguirà inoltre con l’ampliamento dell’interferometro da 3m e si continuerà
lo studio di algoritmi per l'identificazione di segnali provenienti da binarie coalescenti.
Inizierà, inoltre, la misura della funzione di trasferimento dei superattenuatori del central
building interferometer sul sito di VIRGO.
DIAGNOSTICA DI FASI EVOLUTIVE STELLARI
F.Barone, R. De Rosa, L. Milano
Attività 2001
Nell’ambito della diagnostica di fasi evolutive stellari il gruppo ha proceduto al
miglioramento delle attuali tecniche di analisi dati. In particolare, si è cercato di migliorare la
procedura di risoluzione di curve di luce e di velocità radiali (ottimizzazione) che consente di
ottenere la soluzione (minimo globale) e/o le soluzioni (minimi locali) da analizzare da un
punto di vista fisico, in connessione con gli errori sperimentali di misura e le approssimazioni
del modello teorico utilizzato.
Si sono individuati alcuni nuovi algoritmi di ottimizzazione ed altri ne sono stati messi a
punto. Tali algoritmi sono attualmente fase di test per valutarne i limiti di applicazione e la
velocità di convergenza verso le soluzioni. Inoltre si è iniziato uno studio per valutare la
possibilità di parallelizzare tali algoritmi al fine di aumentarne l’efficienza ed utilizzare le
notevoli risorse hardware computazionali locali e/o geograficamente distribuite che la
moderna tecnologia mette a disposizione.
Contemporaneamente si è avviato uno studio teorico al fine di migliorare i modelli fisici di
previsione di curve di luce e di velocità radiale (attualmente viene utilizzato il modello di
Wilson). Tali studio è necessario per effettuare un’analisi intensiva di classi di sistemi binari
al fine di mettere a punto un catalogo aggiornato di soluzioni, peraltro omogenee anche a
seguito dell’utilizzazione di un unico modello di previsione. In quest’analisi, particolare
attenzione verrà data allo studio della classe di binarie eccentriche, che rappresentano tuttora
un difficile banco di prova per tutte le metodologie di soluzione attualmente esistenti.
51
Programma 2002
Nel corso del 2002 si continuerà tale attività privilegiando soprattutto lo studio e la
implementazione di algoritmi e metodologie di ottimizzazione adeguate alle ricerche che si
stanno effettuando. Nel corso di tale anno si continuerà lo studio teorico atto a migliorare i
modelli fisici di previsione di curve di luce e di velocità radiale e si comincerà una prima
ricerca di letteratura per l’individuazione dei sistemi che saranno oggetto dei primi test
applicativi delle suddette metodologie.
SENSORISTICA AMBIENTALE
F.Acernese* , F.Barone, R. De Rosa, L. Milano
Attività 2001
In questa linea di ricerca il gruppo ha sviluppato metodologie e tecniche per l’acquisizione
distribuita, l’archiviazione, la presentazione e l’analisi dati di sensori per la misura di varie
quantità fisiche. Ha effettuato inoltre una serie di test per la valutazione e messa a punto di
procedure per l’acquisizione di segnali da sensori utilizzando un radio network. Allo stesso
tempo ha proceduto allo sviluppo ed implementazione dell’elettronica di condizionamento per
sensori di temperatura, pressione, umidità, campo elettromagnetico e sismico, che lo ha
portato a prendere parte a progetti di rilevanza nazionale.
Infatti, nel prossimo triennio il gruppo farà parte del Centro di Competenza Rischio Sismico
con il compito specifico di organizzare un laboratorio per lo sviluppo di sensori e sistemi di
acquisizione distribuita dati. In particolare il gruppo svilupperà sensori accelerometrici e
progetterà un prototipo di interferometro ottico sospeso per la misura di rumore sismico ad
alta sensibilità ed a bassissima frequenza.
Inoltre, il gruppo parteciperà al progetto “Sistema di monitoraggio, controllo ed informazione
per la gestione attiva della sicurezza di un’infrastruttura autostradale” della durata di 36 mesi
nell’ambito di un PON in collaborazione con la Società Autostrade Meridionali. Obiettivo di
tale progetto è la realizzazione di un sistema di monitoraggio, controllo ed informazione per
la gestione attiva della sicurezza di un’infrastruttura autostradale. Tale sistema dovrà acquisire
una conoscenza approfondita degli stati di pericolo attraverso azioni di monitoraggio; la
conoscenza dovrà essere gestita in ottica previsionale mediante modelli di controllo e,
successivamente, favorire l’interazione fra utente, veicolo ed infrastruttura in ottica di
prevenzione dell’incidentalità stradale, adottando le nuove tecnologie messe a disposizione
dalla informatica applicata ai trasporti.
Programma 2002
Nel corso del 2002 il gruppo si continuerà tali attività privilegiando soprattutto lo studio e la
realizzazione sperimentali di sensori e di sistemi di acquisizione multi-standard.
52
Pubblicazioni
1. R.Tagliaferri, A.Eleuteri, M.Meneganti, F.Barone, “Fuzzy min-max Networks: from classification to
regression” 2001, Soft Computing , 5, p.69-76
2. F.Barone, R.De Rosa, A.Eleuteri, L.Milano, R.Tagliaferri, K.Qipiani, "The Real Time Procedure for Noise
Uncoupling in Laser Interferometry”, 2001, IEEE Transactions on Nuclear Sciences, 49, p.411-416.
3. J.Baker, F.Barone, E.Calloni, R.De Rosa, L.Di Fiore, L.Milano, S.Restaino, "Adaptive Optics approach for
pre-filtering of geometrical fluctuations of the input laser beam of an interferometric gravitational waves
detector", 2001, Review of Scientific Instruments, (accepted)
4. F.Acernese, F.Barone, M.De Rosa, R.De Rosa, A.Eleuteri, L.Milano, R.Tagliaferri: ”A neural network-based
approach to noise identification of interferometric GW antennas: the case of the 40m Caltech laser
interferometer”, 2001, Classical and Quantum Gravity, (accepted).
5. F.Barone, A.Ciaramella, A.Eleuteri, F.Garufi, L.Milano, R.Tagliaferri: ”A Neural Network Approach to the
identification of Environmental Noise effects in the Virgo antenna for gravitational wave detection”, 2001,
IEEE Transactions on Computers and Digital Techniques (accepted)
Pubblicazioni a Congressi Internazionali
1. F.Barone, R. De Rosa, A.Eleuteri, L.Milano, K.Qipiani, "The Environmental Monitoring System of the
Virgpo Antenna for Gravitational Wave Detection”, 2001,in Proceedings of the 12th Real-Time Conference
2. F.Barone, R. De Rosa, A.Eleuteri, L.Milano, R.Tagliaferri, K.Qipiani, "The Real Time Procedure for Noise
Uncoupling in Laser Interferometry”, 2001, in Proceedings of the 12th Real-Time Conference,
3. F.Acernese, F.Barone, A.Eleuteri, L.Milano, R.Tagliaferri: "Neural Network-based approach to noise
identification of laser interferometric GW antennas", 2001, Proceedings of IJCNN ‘01, International Joint
Conference on Neural Networks, Vol.3, p.1631-1636.
4. F.Acernese, F.Barone, R. De Rosa, A.Eleuteri, L.Milano, R.Tagliaferri: "A Neural Network-based
identification system for VIRGO seismic noise", 2001, Proceedings of IJCNN ‘01, International Joint
Conference on Neural Networks, Vol.1, p.252-257.
5. F.Barone, M.De Rosa, R.De Rosa, A.Eleuteri, R.Esposito, P.Mastroserio, L.Milano, F.Taurino, G.Tortone,
"Evaluation of Mosix-Linux Farm performances in GRID environment", 2001, Proceedings of CHEP 2001,
International Conference on Computing in High Energy and Nuclear Physics, H.S.Chen ed., 3-7 September,
Beijing, P.R. China, p.702-703.
6. S. Avino, J. T. Baker, F. Barone, E.Calloni, R. De Rosa, L.DiFiore, L.Milano, S. Restaino ; "Adaptive Optics
7. Corrections of geometrical fluctuations of Virgo input laser beam: preliminary results", Third International
Conference on Adaptive Optics for Industry and Medicine, Albuquerque (USA), July 22-26 2001; World
Scientific Publishing
8. S. Avino, J. T. Baker, F. Barone, E.Calloni, R. De Rosa, L.Di Fiore, L.Milano, S. Restaino " Adaptive Optics
corrections of geometrical fluctuations of Virgo input laser beam: preliminary results", SPIE, San Diego
(USA), July 30-August 03- 2001; World Scientific Publishing, vol. 4493, 156-165.
53
FISICA DEI PLASMI
U. de Angelis ed A. Forlani
Si intende proseguire le ricerche sulla nuova teoria cinetica dei plasmi complessi formulata da
Tsytovich e de Angelis e, più in particolare, di:
• studiare le proprietà degli integrali di collisione tra particelle di polvere ai fini di
determinare il potenziale di interazione
• di proseguire lo studio sulle equazioni cinetiche calcolando l’evoluzione delle funzioni di
distribuzione, dell’energia e della carica sui grani
• di proseguire lo studio delle proprietà di particelle di polvere fortemente accoppiate
• di proseguire lo studio del problema del caricamento di un grano nel plasma
English version
During 2001, the research interests of the local Unit for Astrophysics and Plasma Physics have included,
besides the traditional fields of solar physics, physics of the galaxies and observational cosmology, gravitational
waves and plasma physics, also the implementation and use of soft computing tools for astronomical data
mining and time series analysis.
SOLAR PHYSICS
C. Marmolino and L.A. Smaldone
This activitity is done in strict collaboration with researchers at the Osservatorio Astronomico di Capodimonte
and in the framework of sevral international projects. More in detail:
1.
2.
3.
4.
Elioseismology. We continued the work – both theoretical and experimental – on the phase relation
among the parameters, such as the velocity and the intensity both in the lines and in the continuum,
which characterize the solar oscillations. More inparticular, we focused on the phase differences in
intensity and velocity of the p modes measured by various instruments on board of the SOHO satellite.
The obtained results confirm the existence of a non adiabatic behaviour and the comparison with the
prediction of three different models of the solar atmosphere lead to identify a model which properly
takes into account the effects of a turbulent pressure induced by convection and by the fluctuations in
the super-adiabatic temperature gradient. We also continued the fine tuning of the VAMOS instrument
aimed to perform accurate measures of solar oscillations both in velocity and in intensity.
Active regions. Solar activity is linked to the onset of superficial magnetic fields, to their spatial and
temporal evolution, and to their interaction with the motion of the plasma which, on the other hand, are
directly related to convection. The effectiveness of the coupling between magnetic fields and velocity
fields is maximum in the solar photosphere and cromosphere which are also the solar atmospheric
layers which can be studied in the highest detail. Our work was mainly focused on the physical
characterization of the signatures left by the solar flares on the solar surface. For what the
experimental work is concerned, in collaboration with Y. Suematsu of the National Astronomical
Observatory del Giappone and K.S. Balasubramamian of the National Solar Observatory (USA),:we
developed a bidimensional spectrograph based on a pioneeristic array (50 x 50) of microlenses. This
instrument (IBIS) was tested at the R.D. Dunn Vacuum Tower Telescope and, in the framework of
several international collaborations, is currently acquiring data. We are currently investigating also
the possibility to install IBIS at the focus of the Franch-Italian solar telescope THEMIS.
A by-product of the researches outlined above has been the investigation of the possibility to use the
above quoted tracers of solar activity to characterize the perturbations of the geosphere induced by the
solar activity and the solar wind.
In order to better understand the details of solar activity we are exploring the use of new diagnostic
tools and, more in particular, using the code implemented by M. Carlsson, we are investigating the use
of a SiI line (multiplet #3) at 3905.5 A which seems to offer several advantages (in terms of spatial and
velocity resolutions) with respect to more traditional tools.
54
5. During 2001 our group also entered the French-Italian project CONCORDIASTRO aimed to the site
testing of the Antarctic location known as Dome C.
PHYSICS OF GALAXIES AND OBSERVATIONAL COSMOLOGY
M. Capaccioli e G. Longo
Activity in 2001
Most of the work has been done in strict collaboration with colleagues at the Astronomical Observatory of
Capodimonte (INAF), other units at the De artment of Physical Sciences and colleagues at the Department of
mathematics and Informatics at the University of Salerno.
1 . VST project and related sub-projects
The VLT Survey Telescope or VST (P.I. M. Capaccioli) is a 2.6 m telescope entirely devoted to survey work
which, starting in 2003, will become operation on the summit of Cerro Paranal (Chile) on the same plateau
which hosts the 4 elements of the Very Large Telescope o VLT. VST will be equipped with an innovative 16K x
16K CCD mosaic built by the European Consortium OMEGACAM and will produce a data flow estimated in ca.
100 GB per night. These data need to be archived, processed and analysed on a short time scale (from 6 to 12 h)
and is therefore needed to plan and implement specific software tools. This problem has been tackled within the
framework of the European consortium ASTROWISE (Italian P.I.: M. Capaccioli), and a COFIN – MIUR 19982000 (national P.I. M. Capaccioli) for what the implementation of a national data center for the data reduction
is concerned, and in the framework of the AstroMining (P.I G. Longo) project for post processing and data
mining.
In spite of a slight delay due to the accidental destruction of the VST primary mirror during the shipping from
the Lytkarino factory (Russia) to South America, the VST project is still running on schedule and in the course of
2001, the construction of the mechanical parts of the telescope as well as the implementation of the control
software were completed.
2. OAC-DF and VST 300 Mpc Survey
In the course of 2001 the data reduction and the extraction of catalogues for the OAC – Deep Field were
completed. The OAC-DF is a 1 sq. deg. Field imaged in 3 broad bands and seven narrow ones with the Wide
Field Imager at the ESO 2.2 m telescope. This project, initially conceived as a pilot experiment for the
implementation and testing of the software for the VST pipeline, also allowed the acquisition of know-how in
fields which will be crucial for the scientific exploitation of the future VST surveys. More in detail: i) the search
and characterization of gravitational lenses; ii) the search for white dwarfs in the galactic halo; iii) the search
and characterization of galaxy clusters and groups; iv) the identification and subsequent spectroscopic followup’s of candidate high redshift and type 2 QSOs; v) search for astrometric (asteroids) and photometric
(variable stars and AGNs) transients.
In the course of 2001, we also defined the overall structure and the observational constraints of the so called
“VST 300 Mpc Survey”, to be performed used a conspicuous fraction (ca. 50%) of the VST guaranteed
observing time. The survey will cover an area of ca. 200 sq. deg., will be performed in 5 photometri bands (u, g,
r, i, z) and will be used for a large variety of scientific goals.
3. Dynamical and photometric properties of “early-type” galaxies
Using as kinematical tracers the planetary nebulae we continued our study of the dynamical properties of the
outermost regions of early type galaxies and of the intracluster ones. To this purpose, we built a nebular
spectrograph which aìhas been tested at the William Herschel Telescope (Canary Islands). Observations
obtained with this instrument and similar ones at the ESO and the Anglo-Australian telescopes have allowed us
to enlarge the sample of observed objects and to identify a significant population of intracluster objects.
4. Le proprietà dei gruppi e degli ammassi di galassie
During 2001 a multiyear project aimed to the characterization of the fundamental plane of early-type galaxies at
intermediate redshifts came to completion. The obtained results allowed to: i) confirm that the tilt of the FP is
55
not entirely due to t+non-omology; ii) show that parameters measured from the ground may reach an accuracy
comparable to that achievable from space; iii) prove that at intermediate redshift (ca. 0.3) linear radii are
distributed as in the nearby or local Universe. A detailed study of color gradients has also shown the existence
of marked optical-IR gradients and that, in the K band, distant galaxies appear to be more centrally condensed
than nearby ones.
In a different project, the implementation of a new approach to the study of galaxy distribution has allowed to
measure the morphological parameters (core radius, shape, number counts profile, etc.) for a sample of 30
compact galaxies. These data allow to put accurate constraints on the frequency of subclustering in galaxy
aggregates and therefore to test different cosmological models.
We also started the detailed study of the X ray emission from a selected sample of compact groups of galaxies in
order to compare it with the optical and photometric morphology and to achieve a better characterization of
their dynamical status.
5. Study of the Large Scale Structure of the Universe
The analysis of the Digitised Palomar Sky Survey (POSS-II) has lead to the construction of a statistically well
defined sample of galaxy aggregates /groups and clusters) within a regiion 300 sq. Deg. Wide and with a depth
of 0.2 in redshift. This sample has then be used to derive a multiplicity function (angular density of structure
with a given multiplicity) which can be used to directly constrain the slope of the spectrum of the primordial
fluctuations. In collaboration with colleagues of the Theoretical Physics Unit of the Department, of the TNG
and at Caltech, we also continued the search for high redshift and type 2 QSO. Several spectroscopic follow-ups
with the ESO and TNG telescopes allowed as to identify ca. 10 QSO’s with redshift larger than 4 and 2 type 2
QSO’s. Final goal of this ongoing research is the derivation of the QSO luminosity function at high redshift.
Other lines of investigation, focused on the derivation of photometric redshifts for a large sample of galaxies
extracted from the Sloan Dital Sky Survey Early Data Release, on the understanding of gravitational lensing and
on the evaluation of the cosmological constants, etc. will be detailed elsewhere in this report.
2002 Program
For the year 2002 we intend to prosecute the existing activity putting more emphasys on the planning of the
coming VST survey. (in order to fund the Phase A study we applied for a COFIN-MIUR ; P.I. nazionale M.
Capaccioli e P.I. locale: G. Longo). We also plan to continue the analysis of the data gathered in 2001 and the
testing of the implemented algorithms. More in detail:
1 – we plan to implement all available algorithms for the detection of groups and clusters of galaxies in 2-D and
3-D datasets (maximum likelihood, bayesian, friend of friend, overdensities, etc.) in order to compare their
performances on a common datasets extracted from the SDSS archive. Main aims of this project are: i) the
choice of an optimal algorithm to be used for the VST 300 Mpc Survey; ii) the construction of a statistically well
defined and complete in volume sample of structures to be subsequently characterized in terms of morphology,
size, colors, etc. The same sample will also be cross-correlated with archive X-ray data in order to study the
correlation between X-ray and optical morphology (in coll. with M. Paolillo e E. Shreier at the Space Telescope
Science Institute).
2 – We plan to use the planetary nebulae spectrograph to: i) enlarge the sample of elliptical galaxies with
extended rotation curves and to use these data to better understand the dynamical and evolutionary status of
these systems; ii) to observe a number of intracluster regions in order to constrain the characteristics of the
intracluster population.
3 – To continue the study of the X-ray and optical properties of a sample of compact groups in order to achieve
a better understanding of their dynamical status. The relatively large angular sizes turn these objects in ideal
targets for wide field imagers such as the ESO 2.2m and the VST.
4 – To perform several photometric and spectroscopic follow-up’s of peculiar objects detected in the OAC-DF.
56
ASTRONOMICAL DATA MINING
M. Capaccioli, G. Longo, L. Milano
These researches are done in collaboration with researchers at the Department of Mathematics and Informatics
at the University of Salerno and of the INAF-Astrophysical Observatory of Trieste. In the course of year 2001
our research interests focused on the implementation and fine tuning of soft computing tools aimed to solve
clustering and pattern recognition problems in large multiparametric astronomical databases. Part of the work
was financed by the Italian Space Agency (ASI), by MIUR through a specific COFIN (P.I. M. Capaccioli) and by
the European Action COST-TITS 283.
1. AstroMining Project
We implemented a MatLab prototype of an user friendly tool which exploits several neural network architectures
(MultiLayer Perceptron, Self Organizing Maps, Generative Topographic Mapping, etc.) to perform all types of
supervised and unsupervised clustering and pattern recognition activities. The tool can be applied to space of
high dimensionality (N<250) and, due to advanced visualization interfaces, allows a wide variety of
applications. More in detail, we applied it to:
1. Photometric redshifts evaluation. We implemented a procedure which, by making use of “mixed”
surveys (id est photometric + spectroscopic) allows to derive at low computational costs accurate
(r.m.s. 0.02) photometric redshifts for galaxies in a given redshift range. The application to data
extracted from the Sloan Digital Sky Survey Early Data Release has also allowed to produce a first 3-D
map of a portion of the nearby (z<0.2) universe and a catalogue of structures (groups and clusters) .
2. Data Quality assessment for the Long Term Archive of the National telescope Galileo. We started a line
of investigation aimed to evaluate whether telemetry data can be used to constrain the quality of the
scientific and calibration frames produced by the TNG. Preliminary results are very promising.
3. Othere applications: We begun to test whethere it is possible to use the AstroMining tool (as well as
other softwares such as the linear and non linear ICA’s) for the automatic detection and classification
of neutrino decay events.
2. Time series analysis
We continued our efforts aimed to the implementation of neural tools for the recognition of periodicities in light
curves of a variety of celestial objects. The already existing tools have been applied to several variable stars and
AGN’s. The systematic analysis of the Metsahovi set of radio data has lead to the discovery of periodicities in
small subsample of BL Lac objects.
2002 Program
We plan to distribute a portable version of the AstroMining software and to apply it a variety of astrophysical
problems: data quality assessment in the framework of the ESO/ESA/NASA project GOODS; ii) the definition of
archiving data quality standards for the TNG-LTA; iii) to continue the search for periodicities in the light curves
of AGN’s. Furthermore, in collaboration with other colleagues at the Department and at the Department of
Mathematics at the University of Palermo, we plan to start a 6-th European Framework project.
DETECTION OF GRAVITATIONAL WAVES
F.Acernese* , F.Barone, E.Calloni, R. De Rosa, A. Eleuteri*, L . Di Fiore*, L. Milano, R. Tagliaferri*
2001 Activity Report
The activity in this field is essentially experimental and is developed in the frame of the VIRGO Project for the
gravitational waves (GW) detection, a long baseline (3km) optical interferometer now being built in Cascina
(Pisa) that will be fully operational around the end of year 2002.
57
Besides the construction of the antenna itself, including the realisation of the subsystems under our
responsibility and the relative ensemble tests, we are also actively working on the development and test for the
data analysis and on R&D programs for the development of second generation interferometers.
The VIRGO subsystems implementation and tests under our responsibility (4690 Transfer Function
Measurement; 5510 Raw Data Archiving; 5520 Data Distribution; 5810 Buildings Monitoring;5820
Environment Monitoring, 5900 Software Tools - Data Distribution) is going on in the scheduled times. In
particular:
-
-
The Transfer Function Measurement system has been extended to the other super-attenuators of the central
interferometer.
A first version of the Raw Data Archiving system was implemented. It is actually under test for the
permanent storage of data acquired during the engineering run of the VIRGO performed at the end of 2001.
The Data Distribution system has been completed and is under test for the acquisition of large amounts of
data.
In the frameworks of the Buildings Control the developing of sensors for humidity and pressure is in course.
The distributed acquisition system for temperature is perfectly working and integrated in the global
acquisition system of VIRGO.
In the framework of the Environmental Monitoring system, after the testing phase in the local laboratory,
some accelerometers sensors were installed in Cascina to monitor the seismic noise.
As far as the VIRGO R&D is concerned:
-
-
We are designing and testing electrostatic actuators to move the VIRGO test masses with respect of the
reference mass, in substitution of the present magnetic actuators, very sensible to the environmental
electromagnetic perturbations (lightning, storm clouds, etc).
We are going on with the study and the development of fast digital control systems and the implementation
of a completely digital high frequency laser locking control system.
The possibility to use an adaptive optics system to correct the geometrical aberrations of laser beams is
under test.
To complete, in the field of the data analysis, the Napoli group coordinates the following two sectors:
The search of signals coming from coalescing binary systems.
This activity foresees the study and development of procedures to identify the signals these sources emit. In this
frame, methods that could solve many of the problems of the conventional analysis have been implemented.
In order to coordinate these activities with the ones of other groups participating to the VIRGO Project and to
qualify the R&D program as already oriented toward experimental applications directly on the VIRGO antenna
and on second generation interferometric antennas, the group has planned an upgrade of the old 3 m
interferometer already present in the VIRGO Lab. The main goal is the implementation of a reference facility
useful both for the VIRGO collaboration, but also for all the national and international groups interested in the
study and development of new optical, electronic and mechanical methodologies, oriented to the improvement of
sensitivity of the present and future interferometers for gravitational wave detection.
The design and implementation of the Data Quality system of VIRGO.
This system is necessary to identify the noise sources, both internally generated and generated in the
environment, that are present in VIRGO, and tag the data with a quality factor that takes into account these
effects. Also in this case we are deeply evaluating the possibility of using custom designed neural networks. The
research activity in this framework may be divided in several task:
-
Application of innovative methods, based on neural networks, for the whitening of data coming from an
interferometer.
Analysis of gravitational signals with alternative techniques: statistical peak detection, enhanced adaptive
filters and Price algorithm.
58
-
-
Study on the effectiveness of neural gasses for the reduction of the number of templates needed by matched
filter for coalescing binaries search. A strong reduction of this number will allow an on line selection of
candidates by using a farm of computers working on the signal coming from the interferometer.
Analysis of the performances of a computer farm for parallel computing using tool as PVM, MPI and
MOSIX.
2002 Program
The group will continue with the mounting and testing activity on the VIRGO experimental site, both of the Data
Archiving and Distribution and the Environmental Monitoring systems. Moreover, the group we will continue
the upgrade of the 3 m interferometer and will continue the study of algorithms for the identification of signals
emitted by coalescing binaries. The measurement of the superattenuator transfer function of central building
interferometer will start on the VIRGO site.
DIAGNOSTIC OF EVOLUTIONARY STELLAR PHASES
F.Barone, R. De Rosa, L. Milano
Within the filed of diagnostic of evolutionary stellar phases, the group has worked on the improvement of data
analysis techniques. In particular, the group has improved the procedure for the light and radial velocity curves
solution (optimization) that allows getting the solution (global minimum) and/or the solutions (local minima) to
be analyzed from a physical point of view, in connection with the experimental measurement errors and the
approximation of the adopted theoretical model.
New optimization algorithms have been found and others have been improved. These algorithms are now under
test to evaluate their limitations and the speed of convergence toward the solutions. Moreover, the group as
started a study to evaluate the possibility of parallelizing these algorithms in order to increase their efficiency
and to use the large local and/or geographically distributed computational resources that the modern
technology has made available.
At the same time, the group has started a theoretical study for the improvement of the physical models of light
and radial velocity curves prediction (at the present the Wilson model is still used). This study is necessary to
perform an intensive analysis of classes of binary systems in order to prepare an updated and homogeneous
catalog of solutions. In this analysis, particular attention will be paid to the study of the class of eccentric
binaries, that still now represent a difficult test bench for all the present solution methodologies.
2002 Program
During 2002 the group will continue this activity privileging mainly the study and the implementation of
optimization algorithms and methodologies adequate to the present researches. The group will also continue the
theoretical study oriented to the improvement of the physical models for light and radial velocity curves
prediction and will begin a first research in the literature in order to individuate the systems that will be the
object of the first applicative tests for these methodologies.
59
ENVIRONMENTAL SENSORS
F.Acernese* , F.Barone, R. De Rosa, L. Milano
Along this line of research the group has developed methodologies and techniques for distributed acquisition,
archiving, presentation and analysis of data from sensors for the measurement of different physical quantities.
The group has made a series of tests for the evaluation and improvement of procedures for signal data
acquisition via radio network. At the same time the group has developed and implemented the conditioning
electronics for temperature, pressure, humidity, electromagnetic field and seismic field sensors, that has bring
the group to take part to projects of national relevance.
In fact, in the next three years, the group will be part of the Centro di Competenza Rischio Sismico with the
specific tasks of organizing a laboratory for the developments of sensors and distributed data acquisition
systems. In particular the group will develop accelerometric sensors and will design a prototype of suspended
optical interferometer for the measurement of seismic noise with high sensitivity and a low frequency.
Moreover, the group will take part to the project “Sistema di monitoraggio, controllo ed informazione per la
gestione attiva della sicurezza di un’infrastruttura autostradale” that will last 36 months as part of a PON in
collaboration with the Società Autostrade Meridionali. Goal of this project is the implementation of a system for
the monitoring, control and information for the active management of the security of a motorway infrastructure.
This system will have to acquire a deep knowledge of the ranger status through monitoring action; the
knowledge will be managed with the goal of using control models, and, later on, render easier the interaction
between the user, car and infrastructure with the goal of prevention of motorway accidents, adopting the new
technologies provided by the informatics applied to the transports.
2002 Program
During 2002 the group will continue these activities privileging in particular the study and experimental
implementation of sensors and multi-standard acquisition systems.
PLASMA PHYSICS
U. de Angelis ed A. Forlani
We intend to continue our research on the kinetic theory of complex plasma first proposed by Tsytovich and de
Angelis and, more in detail:
• to study the properties of the collision integrals between dust particles in order to derive their interaction
potential;
• to continue the study of the kinetic equations computing the evolution of the distribution functions, of the
energy and of the distribution of grain charge
• to continue the study of the structure factor of strongly coupled dust particles
• to study the problem posed by the charging of a single grain in various types of plasmas.
60
FISICA GENERALE
(Responsabile di Sezione: Prof. Gabriella Monroy)
61
62
CIBERNETICA E INFORMATICA
M. Benerecetti, E. Catanzariti, G. Criscuolo, F. Cutugno, F. E. Lauria,
E. Minicozzi, A. Peron, G. Trautteur
Attività 2001
Metodi formali di specifica e di verifica (M. Benerecetti, A. Peron)
Si sono studiate caratterizzazioni logiche (in termini di estensioni della teoria monadica del
secondo ordine del successore su domini lineari discreti) di omega-linguaggi accettati da
automi sistolici. I risultati ottenuti sono stati sfruttati per lo studio delle proprietà di
decidibilità di logiche adatte ad esprimere aspetti di granularità temporale su domini temporali
infinitamente stratificabili. Per tali logiche si è definita anche una controparte modale
equivalentemente espressiva. Si sono studiate e confrontate varianti semantiche del
formalismo di specifica Statechart. Sul lato della verifica, si sono definite e sviluppate
metodologie automatiche ed efficienti (in particolare basate su tecniche di Model Checking)
per la validazione formale di proprietà di correttezza e sicurezza di "sistemi critici" distribuiti
e complessi, quali ad esempio applicazioni di commercio elettronico, sistemi di controllo di
traffico aereo, di traffico ferroviario, ecc. L'approccio seguito è quello di estendere tecniche
standard di Model Checking per logiche temporali, a logiche più espressive in cui vengono
amalgamati operatori temporali con operatori modali come ad esempio credenze, conoscenze,
intenzioni, obiettivi, ecc.
Intelligenza artificiale (M. Benerecetti, G. Criscuolo, E. Minicozzi, G. Trautteur)
Abbiamo preso in considerazione un paradigma di computazione in cui sia i singoli moduli
che sistemi software complessi potessero essere modellati come ambienti di computazione
privati che si evolvono nel tempo e interagiscono coll'esterno mediante un'interfaccia che
evolve nel tempo. Abbiamo visto che in questo modello rientrano i più noti paradigmi di
computazione distribuita e stiamo continuando a sperimentare se i concetti introdotti sono
sufficienti a modellare i sistemi naturali e artificiali aperti in cui il processo di computazione è
distribuito.
Reti Neurali (F. Lauria)
Nel corso del 2001 sono proseguite le ricerche sulle reti neurali booleane adattabili
organizzate in assemblee e primitive. È stato completato il programma in Java necessario per
lo sviluppo di simulatori di reti in grado di far girare le reti assegnate tramite l’ausilio del
linguaggio ad alto livello CONNET, cioè le reti in grado di apprendere per esempi gli
algoritmi che si desidera implementare. Sono proseguite le prove della rete autonomamente
auto-adattabile come sistema addestrabile ad apprendere sia l'esecuzione di sequenze
arbitrariamente lunghe di azioni primitive, l'assegnazione degli identificativi delle assemblee
universali necessarie alla gestione della loro esecuzione nonché delle stesse primitive,
modificando la tecnica di apprendimento cioè modificando la definizione di esempio per
l'apprendimento delle primitive. A tal fine si è iniziato a sviluppare la rete booleana composta
da assemblee universali, cioè tali da garantire il corretto funzionamento della rete anche se
nessun addestratore è presente per guidare l'apprendimento, vale a dire che è stato adattata
alle nuove definizioni di esempio per il caso delle primitive.
Speech Processing (F. Cutugno)
Sono state messe in opera delle procedure di elaborazione dei segnali vocali di natura
algoritmica per l’estrazione automatica di parametri prosodici (ritmici e melodici). Nello
63
specifico sono ora disponibili e in corso di testing degli algoritmi che tentano una
suddivisione del continuum fisico relativo al segnale vocale in sillabe e in unità tonali.
Computer Vision (E. Catanzariti)
Nel corso del 2001 è stato avviato un progetto di ricerca in collaborazione con il CNR e con il
gruppo di ottica del Dip. di Scienze Fisiche (programma Agenzia 2000) sul tema:
caratterizzazione ottica, imaging, ricostruzione e interpretazione automatizzata di scritture
corsive di età romana presenti sulle tavolette carbonizzate di Ercolano. Sono state
sperimentate differenti tecniche di imaging bidimensionale della superficie delle tavolette
cerate e la loro caratterizzazione termica ed ottica mediante tecniche fotoacustiche con
risultati molto soddisfacenti.
È stato inoltre avviato uno studio di fattibilità di un progetto di ricerca in collaborazione con
la ASL-Na1, reparto di screening mammografico) sul tema: Classificazione automatica di
lesioni della mammella. Nelle sue linee generali la ricerca prevede 1) la progettazione di un
sistema CAD (Computer-aided diagnosis) per lo screening mammografico avente come
obiettivo l’individuazione di (alcuni tipi di) tumori alla mammella in immagini
mammografiche e 2) la costruzione di una banca dati di immagini digitali mammografiche
tramite la consultazione e la digitalizzazione di mammografie d’archivio della suddetta ASLNa1.
Programma 2002
Metodi formali di specifica e di verifica
Verranno studiati formalismi per la specifica di sistemi distribuiti con particolare attenzione
agli aspetti della sicurezza e della mobilità del codice. In particolare, si studieranno
estensioni di formalismi stato-transizione (e.g. Hierarchical Automata, Statetecharts etc) con
costrutti adatti ad esprimere aspetti di mobilità. I formalismi saranno utilizzati per studiare
problemi e proprietà di sicurezza legati alla mobilità del codice.
(Il progetto di ricerca è collocato nell’ambito del progetto cofinanziato MURST “Metodi
formali per la sicurezza – MEFISTO”).
Per gli aspetti di verifica nell’anno 2002 si perfezioneranno le tecniche di model checking
introdotte nell’anno precedente e si procederà ad integrarle in un tool di verifica per
protocolli e per sistemi multi-agente.
La ricerca è in collaborazione con la divisione Sistemi per il Ragionamento Automatico
(SRA) dell'IRST di Trento.
Intelligenza artificiale
Si studierà l’integrazione di componenti simboliche e sub-simboliche all’interno di una
architettura ad agenti intelligenti. L’ambiente in cui si immagina di inserire l’architettura ad
agenti è quello che vede un insieme di utenti (agenti “compratori”) interagire, in un contesto
di Augmented Reality, con un insieme di agenti di servizio.
Si studierà e progetterà un linguaggio per la specifica ad alto livello di piattaforme ad agenti
intelligenti comunicanti attraverso architetture wireless e wired.
Nel dominio applicativo prescelto verranno studiati agenti per realizzare i “modelli di utente”
individuati, agenti per la “negoziazione di servizi“ (AS) previsti dal progetto e agenti per
associare dinamicamente utenti reali a modelli di utenti. Per gli agenti sopra individuati
verranno studiate e progettate le interfacce di comunicazione. La complessità degli agenti
descritti ed eventuali vincoli di computazione suggeriscono l’integrazione di architetture
neuro-simboliche con architetture simboliche.
64
(Il progetto prevede la collaborazione del Prof. Ernesto Burattini dell’Istituto di Cibernetica
del CNR di Napoli e del Prof. Marco Lops dell’Università di Cassino).
Speech Processing e Intelligenza artificiale
Nell’ambito della ricerca su una Mediateca virtuale dei beni culturali rappresentati da
materiale audio visivo contenuto nelle RAI teche e dalla RAI si intende realizzare un sistema
interattivo con le banche dati già esistenti basato su una architettura ad agenti intelligenti,
interagente e adattiva.
In altre parole, ci si prefigge lo scopo di sperimentare l’uso delle tecnologie di intelligenza
artificiale, in particolare quelle ad agenti, in un sistema di navigazione guidata in archivi
multimediali riguardanti oggetti molto disparati tra di loro, testi, immagini, suoni, filmati
progettando e realizzando interfacce utenti coerenti con i modelli di utenti ritenuti più
significativi per ciascun dominio di conoscenza.
(Progetto PRIN intitolato “Elaborazione dei Segnali e Intelligenza Artificiale per la
Multimedialità: interventi sull’archivio di RaiTeche”).
Computer Vision
Nel corso del 2002 proseguirà la ricerca e sperimentazione delle tecniche di imaging più
appropriate ad una buona caratterizzazione ottica delle tavolette. Si intende inoltre iniziare la
sperimentazione software volta alla individuazione di tecniche di filtraggio e analisi
dell'immagine adeguate a mettere in evidenza il segnale scritto.
Per quanto riguarda la ricerca sulla interpretazione automatica di immagini mammografiche si
prevede di portare a termine un primo livello di un sistema software per la classificazione di
microcalcificazioni costituito da una rete neurale bayesiana basata su tecniche spaziotemporali di estrazione delle caratteristiche.
Formal methods for specification and verification (Massimo Benerecetti, Adriano Peron)
We have provided logical characterizations of omega-languages accepted by systolic automata by suitably
extending the monadic second order theory of one successor (over discrete linear orders). The above mentioned
results have been exploited to assess decidability and undecidability properties for logics for time granularity
interpreted over omega-stratified temporal domains. We have also studied a modal equivalently expressive
counterpart for meaningful fragments of these logics. We have studied and formally compared some variants of
semantics for the specification formalism Statecharts. As concerns verification, the research carried out during
year 2001 has concentrated on the development of automatic and efficient methodologies (in particular
methodologies based on Model Checking techniques) for the formal validation of correctness and security
properties of distributed critical systems, such as electronic commerce applications, air-traffic and railway
control systems, etc. The approach that has been followed consists of extending well known Model Checking
techniques for temporal logics, to more expressive logics in which both temporal and modal operators, like for
instance beliefs, knowledge, goals, intentions, are amalgamated within the same language.
Artificial Intelligence (Massimo Benerecetti, Giovanni Criscuolo, Eliana Minicozzi, Giuseppe Trautteur)
We choose to model a computing element, a single module or complex software systems, as an evolving private
computational environment with an evolving permeable boundary. In this model we have translated the main
features of shared memory systems, agents systems and actors systems. Now we are exploring the possibility of
modeling natural and artificial open distributed systems, by using these concepts.
Neural Networks (Francesco Lauria)
The focus of investigation has been adaptable Boolean neural networks organized in assembly and primitive
subnets. In particular, we completed the Java package which implements the neural net simulators defined by
means of the language CONNET. We have further tested the auto-adaptable net as a system able to learn the
execution of arbitrary long sequences of primitive actions and the assignment of identifiers of universal
65
assemblies by considering a variant of the learning technique (i.e. the definition of example for the learning of
primitives has been changed).
To this purpose we started developing the Boolean net organized in universal assemblies, i.e., a net learning to
perform correctly its tasks even if no trainer is present during the training period, for the new definition of
example we have introduced.
Speech Processing (Francesco Cutugno)
We realised a set of algorithmic procedures for speech processing aiming at the automatic extraction of
prosodic (rhythm and melody) features. In particular, a set of tools that attempt the syllable and the Tone Unit
segmentation on the speech chain are presently under test.
Computer Vision (Ezio Catanzariti)
We started a joint research program on the computer reading of roman age cursive written text. We have
experimented with 2D computer imaging of the surface of the waxed tablets, thermal and optical
characterisation by photoacustic techniques.
A second project we started is concerned with the automatic interpretations of mammographic images for the
early detection of cancer lesions.
2002 Program
Formal methods for specification and verification
We shall study formalisms for specifying distributed systems focusing on aspects of code mobility and security.
In particular, we shall study state-transition formalisms (e.g. Hierachical Automata, Statecharts, etc.) extend
with features suitable for expressing code mobility. The introduced formalisms will be exploited to investigate
security problems introduced by code mobility.
(Project supported by Project MURST Cofin “Metodi formali per la sicurezza – MEFISTO”)
As concerns verification, we shall improve the model checking techniques introduced in the past year and we
shall implement them in a tool for the verification of protocols and properties of multi-agent systems.
(The research will be done jointly with the division Sistemi per il Ragionamento Automatico at IRST Trento.)
Artificial Intelligence
We shall study the problem of integrating symbolic and sub-symbolic components into a suitable architecture of
intelligent agents. The system will describe an environment where customer agents and provider agents interact
in a context of Augmented Reality. We shall design a language for the high level specification of intelligent
agents interacting by wired and wireless communication. We shall design agents which implement customer
models, agents which implement negotiation services and agents which dynamically bind real customers with
customer models. For the above mentioned agents we shall design communication interfaces. In order to deal
with the agent complexity and possible computation constraints we shall consider design techniques which
merge sub-symbolic and symbolic architectures.
(The research will be done jointly with Prof, Ernesto Burattini, Istituto di Cibernetica, CNR, Napoli and Prof.
Marco Lops University of Cassino.)
Speech Processing and Artificial Intelligence
We shall design an intelligent interface for an advanced search of multimedia databases of the RAI media stores
by exploiting an adaptive architecture of intelligent agents. The main goal is to exploit the technology of
intelligent agents to implement system for computer aided surfing of heterogeneous collections of digital
documents (textual documents, images, music, sounds, movies).
The system will provide a number of interfaces each one customized for a different model of user.
(Project PRIN “Elaborazione dei Segnali e Intelligenza Artificiale per la Multimedialità: interventi sull’archivio
di RaiTeche”).
Computer Vision
We plan to continue sperimenting with other 2D imaging techniques for an optimal rendering of the burned
surface as well as with the use of early image analysis techniques for the computer localization and
identification of the images areas where the written information is contained.
As to the CAD project, we plan to realize on early stage of a software architecture based on a bayesian neural
network and a representation scheme based on multichannel filtering techniques.
66
Pubblicazioni
1. F. E. Lauria, R. Prevete, An algebraic approach to the autonomously self-adaptable Boolean neural nets, Acc.
Sc. Fis. e Mat., Liguori, (Napoli), (2001) 299 + xi. ISBN 88-207-3266-1
2. A. Monti, A. Peron, Logical definability of Y-tree and trellis systolic omega-languages, Acta Cybernetica, 15
(2001) 75-100
3. R. Lanotte, A. Maggiolo-Schettini, A. Peron, S. Tini, Transformations of Timed Communicating Automata,
Fundamenta Informaticae, 47 (2001) 271-282
4. A. Maggiolo-Schettini, A. Peron, S. Tini, A comparison of step-semantics of Statecharts, Theoretical
Computer Science (to appear)
5. A. Montanari, A. Peron, A. Policriti, Extending Kamp theorem to linear orders with binary predicates to
model time granularity, Journal of Logic and Computation (to appear)
6. G. Criscuolo, F. Giunchiglia, L. Serafini, A foundation for metareasoning Part II: The model theory. To be
published on the Journal of Logic and Computation
7. M. Benerecetti, P. Bouquet, S. Zanobini, Verso una logica congitiva per i linguaggi indicali, In
Epistemologia, Tilgher Editor (to appear)
8. M. Benerecetti, P. Bouquet, M. Bonifacio, Distributed context-aware systems, Human-Computer Interaction
16, special issue on Context-aware computing, p. 213-228, 2001
9. P. Bouquet, M. Benerecetti, C. Ghiaini, Dimensioni di dipendenza contestuale e teoria del ragionamento. In
"La svolta contestuale", a cura di Carlo Penco, McGraw Hill, Milano (to appear).
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DIDATTICA DELLA FISICA
FORMAZIONE INSEGNANTI
APPLICAZIONI DEGLI ELABORATORI NELLA DIDATTICA
INNOVAZIONE CURRICOLARE E METODOLOGICA
INDIRIZZO E SUPPORTO DELL’AUTONOMIA DIDATTICA
FONDAMENTI E MODALITA’ DELLA TRASPOSIZIONE DIDATTICA IN FISICA
Le ricerche in Didattica della Fisica sono svolte da due Gruppi:
a) Gruppo DF/ITC
Didattica della Fisica e Tecnologie per l’Informazione e Comunicazione
Sara Lombardi, Gabriella Monroy, Elena Sassi, Italo Testa
b) Gruppo DF/FCITS
Didattica della Fisica: Fondamenti, Curricoli, Innovazione, Tecnologie, Supporto in
rete
Emilio Balzano, Gabriele D'Ajello, Francesco Di Liberto, Pietro Ferraro, Rodolfo Figari,
Grazia Giberti, Stefania Grazioso, Paolo Guidoni, Donatella Iannece, Giovanna Mendella,
Carlo Paolantonio, Roberto Tortora,
Attività 2001
Attività comuni ai due gruppi
I-A) Nel corso del 2001 i due gruppi hanno entrambi partecipato alla conclusione di un
Programma di Ricerca Nazionale (PRIN gennaio 2000-dicembre 2001) denominato
«Spiegare e Capire in Fisica» (SeCiF), (Resp. Scient. nazionale P. Guidoni) e rivolto a
produrre nuovi modelli per la formazione preuniversitaria in fisica, integrati all’uso delle
nuove tecnologie. In particolare:
- Il gruppo DF/ITC ha completato la proposta didattica: “Insegnare ed apprendere la
Cinematica e l’Introduzione alle Forze - KINFOR” rivolta agli insegnanti di Scuola
Secondaria Superiore, che riguarda una strategia d'insegnamento di alcuni argomenti di
Cinematica di base e dell’introduzione alle forze. I materiali di KINFOR sono resi disponibili
come un insieme di pagine web INSERIRE URL Le principali caratteristiche di KINFOR
sono da un lato l'integrazione fra la descrizione cinematica del movimento in una dimensione
e lo studio di alcuni aspetti delle forze che lo causano, dall'altro l'enfasi su esperimenti in
Tempo-Reale. KIN-FOR è composto da un insieme di vari documenti: inquadramenti,
proposte di attività di classe, esempi ragionati di esperimenti tipici, materiali di riferimento e
supporto all'attività dell'insegnante e della classe.
- Il gruppo DFb/FCITS ha lavorato ad una proposta didattica di “PERCORSI DI
MECCANICA”, mirata alla presentazione in rete di percorsi metodologici e concettuali
secondo i quali possa essere riorganizzato e reso incisivo l’insegnamento della meccanica,
dalla scuola di base al termine della scuola secondaria superiore, e secondo cui possano essere
efficacemente preparati i futuri insegnanti (SSIS e Corsi di Laurea per la Formazione
Primaria). Particolare cura è stata posta nell’analisi sia delle correlazioni fisica-matematica,
sia delle basi “naturali” del pensiero scientifico, comunque critiche per la presentazione e la
comprensione dei concetti fisici.
I-B) Nel corso del 2001 è terminato il Progetto Europeo STISS (Science Teacher Training in
Information Society), dicembre 97-febbraio 2001, finanziato dalla Commissione EU
nell’ambito del Programma TSER (Targeted Socio-Economic Research) e coordinato dalla
Spagna (prof. Roser Pinto, Barcelona) a cui hanno partecipato i seguenti gruppi: Spagna
(coord. R. Pinto), Francia (coord. L. Viennot), Italia (coord. E. Sassi), Norvegia (coord.
68
A.Quale), Regno Unito (coord. J. Ogborn). Hanno preso parte al Progetto, a Napoli, oltre a E.
Sassi: E. Balzano, G. Giberti, G. Monroy, I Testa.
L'attività svolta nel 2001 è consistita nel produrre materiali didattici per formazione
insegnanti destinati ai formatori e un documento contenente linee guida per chi si occupa a
livello politico di Educazione e Formazione all’interno dell’Unione. I materiali prodotti
riflettono i risultati della ricerca condotta negli anni precedenti sulle difficoltà’ che gli
insegnanti incontrano allorché implementano in classe delle innovazioni didattiche e dunque
mirano a favorire l’adozione da parte degli insegnanti delle innovazioni didattiche. Nei
materiali si affrontano due tipi di innovazioni: “Teaching about Kinematics” su Cinematica e
introduzione alle forze, e “Teaching Real-Time Experiments and Images” su approcci
didattici basati su esperimenti ed immagini in Tempo-Reale. Essi contengono attività su studi
di caso su esempi di reali implementazioni di innovazioni didattiche; trasformazioni che
possono avere luogo quando le innovazioni didattiche sono implementate dagli insegnanti;
fattori che hanno influenzato il modo in cui le innovazioni sono state implementate; difficoltà
degli studenti su immagini di grafici in Tempo-Reale; suggerimenti per pianificare un
intervento in classe su un particolare aspetto dell’innovazione didattica in esame; esempi di
attività spiegate in dettaglio, un catalogo di esperimenti in Tempo-Reale e una bibliografia.
Attività del Gruppo DF/ITC
I-C) Il gruppo DF/ITC ha partecipato al network «Science Teacher Education Development in
Europe» (STEDE) (coordinator Cecile Vander Borght, Francia), biennale (01-02), che
coinvolge 7 paesi: Belgium, France, Germany (State Baden-Württemberg), Greece, Iceland,
Italy, Romania, attività descritte in http://www.biol.ucl.ac.be/STEDE/
Il contributo italiano (gruppi di Napoli e di Palermo) ha coinvolto il micronetwork 6a) e ha
riguardato le SSIS (Scuole di Specializzazione per l’Insegnamento Secondario), con enfasi
sull’impostazione ispirata a modelli costruttivisti di apprendimento – insegnamento.
Una speciale sessione STEDE si è svolta nell’ambito della Conferenza ESERA, Thessaloniki,
agosto 2001.
Attività del Gruppo DF/FCITS
Il gruppo DF/FCITS ha partecipato ad una serie di ricerche innovative sul piano delle
proposte curricolari e metodologiche per un più efficace insegnamento della fisica, sviluppate
nell’ambito di Progetti Nazionali e mirate alla produzione e diffusione in rete di materiali
emblematici per la progettazione e la formazione in servizio, nell’ambito dell’autonomia
scolastica. In particolare il gruppo ha lavorato:
Nell’ambito del Progetto pluriennale SeT (Scienza e Tecnologia per la Scuola):
- Progetto-Pilota LES (Laboratorio di Educazione alla Scienza – in collaborazione con
la Fondazione IDIS) che produce proposte innovative di percorsi su argomenti di
Fisica, Chimica, Biologia, Scienze della Terra, e assiste le Scuole nel loro
trasferimento didattico concreto. (Coord. nazionale E.Balzano). Sito WEB
www.les.unina.it
- Progetto-Pilota <Capire si può>, che sviluppa in collaborazione con una quindicina
di Scuole in Italia un modello di percorso in scienze e matematica per la scuola di base
(materna, elementare e media). (Coord. nazionale P.Guidoni).
- Progetto <Capire per modelli>, che ha elaborato una proposta di organizzazione di
percorsi scientifici nella scuola di base (su argomenti di Fisica e Logica) centrati sullo
sviluppo di competenze di modellizzazione. (Resp. scientifico P.Guidoni).
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Nell’ambito di Progetti specifici nazionali:
- Progetto EduSeiS GNDT-IDIS sull'educazione al rischio sismico si basa sulla
realizzazione di una rete di sismometri collocati in scuole, università e musei
scientifici. Il Dipartimento di Scienze Fisiche partecipa con un'unità di ricerca che
integra competenze didattiche (coord. Emilio Balzano) nel lavoro scientifico del
gruppo di sismologia (coord. Aldo Zollo). Il sito del Progetto è
http://luxgea5.na.infn.it
- Progetto Nazionale “Un Curricolo Verticale per gli Istituti Comprensivi”,
suddiviso in 4 Sotto-Progetti Regionali (Piemonte – matematica; Emilia Romagna –
storia; Toscana – lingua; Campania – scienze): per la parte di scienze, affidata alla
Campania sotto la responsabilità metodologica e scientifica di E.Balzano e P.Guidoni,
con la collaborazione di Insegnanti-tutor, la ricerca viene sviluppata in una quindicina
di Scuole. Il sito per il curricolo di scienze è http://www.sarete.it/olivetocitra/ic/
I-E) Nel 2001 è stato avviato il <Progetto di Collaborazione Formativa in Matematica>
(MIUR) che vede 11 Dipartimenti in Italia impegnati a sviluppare, attraverso il lavoro di
gruppi misti di Universitari e Insegnanti selezionati per concorso, una revisione sistematica
dei principali nodi critici dell’insegnamento preuniversitario della matematica, e una
corrispondente serie di proposte innovative, anche alla luce dei risultati della ricerca
nazionale e internazionale. Al Dipartimento di Scienze Fisiche di Napoli è stato in particolare
affidato il problema della correlazione fra aspetti matematici e fisici della formazione
preuniversitaria, e dei suoi riflessi sulla struttura dei curricoli, sulla progettazione didattica e
sulla formazione degli insegnanti (Resp. Scient. P.Guidoni).
I-F) I membri del Gruppo sono stati impegnati in molteplici attività di consulenzacollaborazione ufficiale con il MIUR e con le Amministrazioni periferiche per la revisione in
corso dei Curricoli Scolastici, e per il sostegno all’innovazione curricolare e metodologica
nelle Scuole. In particolare P.Guidoni ha collaborato con la Commissione De Mauro per la
progettazione dei curricoli di scienze, ed E.Balzano con la Commissione MIUR-SIF-AIF
per la progettazione dei curricoli di fisica.
Programma 2002
Attività comuni ai due gruppi
II-A) Ambedue i Gruppi DF/ITC e DF/FCITS partecipano al Progetto PRIN 2002-03
“Fisica per la Formazione culturale: innovazione e formazione in fisica, con uso delle
nuove tecnologie in classe e a distanza” (FFC), coordinato da P.Guidoni. Il Progetto ha come
obiettivo una proposta-supporto complessiva che coinvolge: la trasmissione culturale
preuniversitaria in area fisica; la nuova formazione universitaria degli insegnanti; la nuova
gestione in regime di autonomia della progettazione curricolare, e della formazione in
servizio; l’appoggio che un uso innovativo delle tecnologie informatiche può dare alla
sperimentazione e alla progettazione, alla comprensione e alla motivazione, alla
comunicazione e alla diffusione di proposte e risultati.
La ricerca è divisa in due sotto progetti: uno rivolto principalmente alla Formazione degli
Insegnanti (FORM), cui partecipa il gruppo DF/ITC, l'altro rivolto più specificamente alla
progettazione e pre-sperimentazione di Percorsi Didattici (PERC) e al loro inserimento
curricolare, cui partecipa il gruppo DF/FCITS. In particolare:
Il gruppo DFa/ITC con il sottoprogetto FORM si prefigge di sviluppare e sperimentare due
Moduli di Intervento Formativo: MIF1 - Formazione iniziale su approcci in tempo reale
(esperimenti e immagini di grafici); MIF2 - Formazione iniziale su uso didattico di immagini
70
scientifiche. Attualmente il gruppo sta indagando sui risultati di una sperimentazione sull’uso
di approcci in Tempo Reale7 e Immagini, su contenuti di Cinematica e Forze, che ha avuto
luogo in un modulo della Scuola Interuniversitaria Campana per l’Insegnamento. Nel
prossimo anno, sulla base di questi risultati, verranno prodotti e sperimentati i due Moduli di
Intervento Formativo.
Il gruppo DF/FCITS all’interno del sottoprogetto PERC sta sviluppando una proposta
didattica di “PERCORSI DI ELETTROMAGNETISMO”, mirata alla presentazione in rete
di modelli di percorsi metodologici e concettuali secondo i quali possa essere riorganizzato e
reso incisivo l’insegnamento dell’elettromagnetismo, dalla scuola di base al termine della
scuola secondaria superiore, e secondo cui possano essere efficacemente preparati i futuri
insegnanti (SSIS e Corsi di Laurea per la Formazione Primaria). Particolare cura è posta
nell’analisi delle correlazioni fisica-matematica e delle basi “naturali” del pensiero
scientifico, critiche per la presentazione e la comprensione dei concetti fisici.
Attività del Gruppo DF/ITC
II-B) Il Gruppo DF/ITC ha sottoposto per approvazione al MIUR un Progetto (FIRB) in cui
l'enfasi è posta sul concetto di feedback e sul suo ruolo nella costruzione della conoscenza
scientifica (fisica in particolare). La sua importanza è centrale sia nei termini di trigger
cognitivo che modifica l'interpretazione dei dati, i modelli utilizzati per descriverli e
rappresentarli, le idee e le strategie di ragionamento, sia in termini più tecnologici, come
feedback concreto in termini di segnali.
II-C) Il Gruppo partecipa ad un nuovo Network tematico in corso elaborazione per essere
proposto nell’ambito del programma Socrates; partecipano gli stessi paesi di STEDE e le
tematiche sono uno sviluppo delle precedenti.
Attività del gruppo DF/FCITS
II-D) Proseguono le attività dei seguenti Progetti, per cui si rinvia alla presentazione
dell'Attività 2001:
- Progetto SeT / LES
- Progetto SeT / <Capire si può> (anno conclusivo)
- Progetto EduSeis
- Progetto MIUR / <Curricolo Istituti Comprensivi> (anno conclusivo)
II-E) Prosegue il <Progetto di Collaborazione Formativa in Matematica>, in collaborazione
con gli altri 10 Dipartimenti di matematica, che si concluderà con un Convegno Nazionale a
settembre e con proposte innovative mirate alla progettazione dei Corsi Universitari per la
formazione degli Insegnanti e al supporto via rete agli Insegnanti in servizio.
TEACHERS’ TRAINING, EDUCATIONAL APPLICATIONS OF COMPUTERS,
CURRICULAR AND METHODOLOGICAL INNOVATION,
SUPPORT TO SCHOOLS,
FUNDATIONS AND MODES OF TEACHING TRANSPOSITION OF PHYSICS
The research activities in Physics Education are performed by two Groups:
a)
Group DF/ITC
Physics Education and Information-Communication Technologies
Sara Lombardi, Gabriella Monroy, Elena Sassi, Italo Testa
b) Group DF/FCITS
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Physics Education: Fundamentals, Curricula, Innovation, Technologies, Schhols’ Support
Emilio Balzano, Gabriele D'Ajello, Francesco Di Liberto, Pietro Ferraro, Rodolfo Figari, Grazia Giberti,
Stefania Grazioso, Paolo Guidoni, Donatella Iannece, Giovanna Mendella, Carlo Paolantonio, Roberto
Tortora
Research activities performed by both Groups
I-A) During 2001 the two Groups have participated to the conclusion of a National Research Program
«Spiegare e capire in fisica» (SeCiF; PRIN January 2000 – December 2001), coordinated by P. Guidoni and
aiming at the production of new models for preuniversity education in physics, integrated with the use of
informatic technologies. In particular:
- The group DF/ITC has completed the didactic proposal: “Teaching and learning Kinematics and an
Introduction to Forces - KINFOR” for high school Physics teachers (age of pupils 14-17), for the teaching of
some Kinematics and Force contents. The KINFOR materials are in web format at the URL INSERIRE. The
main features of KINFOR are on one hand an attempt to integrate the teaching of Kinematics and Dynamics in
one dimension, on another hand an emphasis on Real-Time approaches. KINFOR is made up of a set of
documents as: teaching paths, activities to be performed in classrooms, examples of typical results of
experiments, reference materials to support teachers’ classroom work.
- The Group DF/FCITS has been working at a teaching proposal about “PATHWAYS IN MECHANICS”, aimed
at a web presentation of conceptual and methodological model-paths according to which to reorganize the
preuniversitary teaching of Mechanics, and to train future Teachers. A particular attention has been devoted to
the analysis of the relationships between the understanding of Physics and Mathematics, and of “natural” roots
of scientific reasoning, all crucial to the understanding of physical concepts.
I-B) During 2001 the EU Project STISS (Science Teacher Training in Information Society), dicembre 97febbraio 2001, funded by European Commission in the framework of TSER Program (Targeted Socio-Economic
Research), coordinated by Spain (prof. Roser Pinto, Barcelona) with the participation of the following research
groups: - Spagna (coord. R. Pinto), Francia (coord. L. Viennot), Italia (coord. E. Sassi), Norvegia (coord.
A.Quale), Regno Unito (coord. J. Ogborn), has been completed. In Napoli the partecipatnts have been (beside E.
Sassi) also E. Balzano, G. Giberti, G. Monroy, I. Testa.
During 2001 teaching materials aimed at teacher training have been produced, together with guidelines for
policy makers. The materials for teacher training are aimed at teachers’ trainers and are based on the research
results obtained in the previous years about difficulties encountered by teachers when implementing didactic
innovations. The produced materials thus are aimed at favouring a better adoption by teachers of didactic
innovations. The materials are of two kinds: “Teaching about Kinematics” and “Teaching Real-Time
Experiments and Images” about approaches based on Real-Time experiments and images.
The materials feature activities about case studies on real implementations of the teaching innovations;
transformations that may occur when implementing the didactic innovation; factors influencing the way
innovations are implemented; students’ difficulties when reading and interpreting images of Real-Time graphs;
how to plan a class intervention about one aspect of the didactic innovation; examples activities, Real-Time
experiments catalogue and a bibliography are also provided.
Activities of the DF/ITC Group
I-C) The DF/ITC group has also participated to the EU Project «Science Teacher Education Development in
Europe» (STEDE) coordinator Cecile Vander Borght, France (2001-2002). It has involved seven EU countries:
Belgium, France, Germany (State Baden-Württemberg), Greece, Iceland, Italy, Romania. Activities are
described in http://www.biol.ucl.ac.be/STEDE/
The Italian contribution (Napoli and Palermo) has cooperated to micronetwork 6a); its focus being on the role
of the SSIS (Scuole di Specializzazione per l’Insegnamento Secondario), with an emphasis on constructivistic
theories of teaching and learning. A special session of the ESERA, Conference at Thessaloniki, August 2001,
has been devoted to STEDE.
Activities of the DF/FCITS Group
I-D) The Group DFb/FCITS has been working at several streams of Curriculum-Innovation research, within
different National Projects aimed at the production of web materials for the actual planning of teaching paths
and for the in-service formation of Teachers. In particular:
Within the Project SeT (Science and technology for Schools):
72
-
-
-
Pilot-project LES (Laboratory for Science Education – in collaboration with IDIS Foundation),
producing innovative proposals about subjects of Physics, Chemistry, Biology, Earth Sciences, ..., and
assisting Schools in the actual transfer of such activities. (Coord. E.Balzano).
Pilot-project <Capire si può>, developing by a collaboration with more than fifteen schools spread
across Italy a model-curriculum of Science and Mathematics for “basic” schools (from 3 to 14 years).
(National coordinator P.Guidoni).
Project <Capire per Modelli>, a proposal of scientific paths in the basic school on subjects of Physics
and Logic centered on the development of modelling abilities. (Scientific resp. P.Guidoni).
Within specific MIUR Projects:
- Project EDUSEIS (GNDT-IDIS) involves high schools, scientific museums and research institutes
trough a network of digital seismographs. For the Dipartimento di Scienze Fisiche Unit didactic
activities are coordinated by E.Balzano and scientific activities by Aldo Zollo.
- National Project “A vertical Curriculum for Istituti Comprensivi (3 to 14 yrs)”, structured in 4
Regional Sub-Projects (Piemonte-Matemathics, Emilia-History, Toscana-Language, CampaniaSciences): the Sciences’ section is being developed (responsible E.Balzano and P.Guidoni) in 15
schools with the cooperation of tutoring Teachers.
I-E) In 2001 the MIUR Project <Formative Collaboration in Mathematics> has been started. The Project is a
collaboration between 11 University Departments in Italy for a systematic revisitation, by mixed teams of
University Researchers and selected Teachers, of some critical nodes of Mathematics teaching, and for a
corresponding set of innovative curricular proposals (also taking into account research results). In particular,
this Physics Department (scientific resp. P.Guidoni) is in charge of the correlation aspects between Physics’ and
Mathematics’ teaching problems along all pre-university curricula, and of the implications for teachers’
formation.
I-F) Group’s members have been involved in several official collaboration-counselling activities, with MIUR as
well as with peripheral School Authorities, about curricular innovation and planning. In particular P.Guidoni
has been working within the De Mauro Commission for the planning of Science Curricula, and E.Balzano within
the MIUR-SIF-AIF Commission for the planning of Physics’ curricula.
2002 Program
Research activities performed by both Groups
Both Groups DF/ITC and DF/FCITS participate in the PRIN National Research Project 2002-2003 “Physics for
Cultural Formation: Innovation and Teachers’ Training in Physics, also using new technologies in classroom
and at distance” (FFC – coordinator P.Guidoni). This is a support-proposal Project aiming at an overall
framing of Physics’ teaching, involving: basic (preuniversity) cultural transmission in Physics’ area; both preservice (university) and in-service teachers’ training; developing and implementation of curricular innovation;
support to experimenting schools; innovative uses of new technologies for planning and experimenting, to
support understanding and motivation, for the communication and diffusion of proposals and results.
The research is articulated in two Sub-Projects: one mainly devoted to teachers’ training (FORM – Group
DF/ITC), a second one (PERC – Group DF/FCITS) mainly concerned with the planning and validation of
curricular innovation. In particular:
- The DF/ITC Group will develop, within FORM, two training modules (MIF): one about Real-Time
approaches, and another about the use of scientific images. At present the Group is investigating about the
results of a training performed within the SISS (Scuola Specializzazione Insegnamento Secondario) at Napoli.
The results will allow to construct the two above MIF.
- The DFb/FCITS Group is developing, within PERC subproject, a teaching proposal about “PATHWAYS IN
ELECTROMAGNETISM”. The aim is a web presentation of conceptual and methodological models according
to which to reorganize and to make efficient the teaching of electromagnetic phenomena from basic to secondary
school, and accordingly to train future teachers. A particular attention is devoted to the analysis of physicsmathematics correlations, and of basic “natural” forms of reasoning, both critical for the presentation and
understanding of physical concepts.
DF/ITC Group research activities
II-B) A new research project has been submitted to MIUR, the emphasis being on the feedback concept and on
its role in the construction of scientific knowledge. Its importance is crucial both as cognitive trigger that allows
data, ideas, reasoning modification, and also in a more technologic sense, as signal feedback.
73
II-C) A new thematic Network is being proposed, within the Socrates program. Participants are the same as
those of STEDE (see above).
DF/FCITS Group research activities
II-D) The following Projects (see the corresponding presentations in 2001 Activity Report) will be developing in
2002:
- Project SeT / LES
- Project SeT / <Capire si può> (concluding year)
- Project EduSeis
- Project MIUR / <Curricolo Istituti comprensivi> (concluding year)
II-E) The Project about <Formative Collaboration in Mathematics> will be developing in cooperation with 10
Mathematics Departments, and will be concluded by a National Meeting on september and by innovative
proposals for the planning of University Teachers’ training and for the web support of inservice teachers.
Pubblicazioni
1) E. Sassi, G. Monroy, I. Testa (2001), Teacher Training about Real-Time Approaches: research-based
guidelines and materials Science Education (sottoposto per la pubblicazione)
2) Balzano E. (2001), "Il Progetto LES: percorsi di fisica e integrazioni disciplinari su scienza e tecnologia" TDTecnologie Didattiche n.22, ITD CNR-Genova, Edizioni Menabò
3) Balzano E. (2001) , Guidoni P. "La consapevolezza scientifica", Iter, Treccani .
http://www.treccani.it/iteronline/documetaz/indice/indice_10/dp5b2.htm
4) E. Sassi, G. Monroy, I. Testa, S. Lombardi (2001): Progetto SeCiF (Spiegare e Capire in Fisica): “Insegnare e
Apprendere la Cinematica e le Forze con KINFOR”.
(http://www.na.infn.it/Gener/did/kinfor/secif/cover.htm)
5) E. Balzano, G. Giberti, G. Monroy, E. Sassi (2001): “Proposta Didattica su Forze e Movimento” libro a cura
di M. Michelini, L. Santi, RM Sperandeo; casa editrice Forum, Udine (in corso di stampa).
6) Monroy G., Sassi E., Testa I., Lombardi S. (2001): “Teachers' adoption of Real-Time approaches:
transforming trends and research-based training materials”. In Proceedings of ESERA Conference,
Thessaloniki, August 2001.
7) E. Sassi (2001): Real-Time Approaches In The Development Of Formal Thinking In Physics. First
International GIREP Seminar, 2 - 6 September 2001, University of Udine, Italy.
8) E. Sassi (2001): La formación de profesores y los enfoques del trabajo experimental en tiempo-real, el caso de
la Física. VI International Congress Of Research Into The Teaching Of Science: Challenges For Science
Teaching In The XXI Century, Barcelona, September 2001.
9) Sassi E. (2001). “Computer supported lab-work in physics education: advantages and problems”. Invited Talk
in Proceedings of the International Conference Physics Teacher Education Beyond 2000" R. Pintò & S. Surinach
(eds). CD Production Calidos. ISBN: 84-699-4416-9 Barcelona.
10) I.Testa, G.Monroy, E. Sassi (2001): “Teachers’ use in class- work of images of real time graphs”,
Proceedings of the International Conference Physics Teacher Education Beyond 2000" R. Pintò & S. Surinach
(eds). CD Production Calidos. ISBN: 84-699-4416-9 Barcelona.
11) G. Giberti, G. Monroy, I testa, E Sassi (2001): “Teachers’ interpretations of a proposal on “Motion and
Force” in Secondary School: transformations of didactic intentions”. Proceedings of the International Conference
Physics Teacher Education Beyond 2000" R. Pintò & S. Surinach (eds). CD Production Calidos. ISBN: 84-6994416-9 Barcelona.
12) Guidoni P. (2001): Explaning and Understanding in Physics. SeCiF: a project for correlated teachers'
formation and curriculum innovation. Proceedings of Physics Teacher Education beyond 2000 PHYTEB,
Barcelona.
74
13) E. Sassi, G. Monroy, I. Testa (2001): Progetto STTIS (Science Teacher Training in Information Society):
RTEI un workshop per facilitare l'adozione della proposta didattica "Esperimenti e Immagini in Tempo Reale".
LXXXVII CONGRESSO NAZIONALE SOCIETÀ ITALIANA DI FISICA; Milano - Bicocca, 24 - 29
settembre 2001.
14) S. Lombardi, G. Monroy, E. Sassi, I. Testa (2001): Progetto SeCiF (Spiegare e Capire in Fisica): la proposta
"Insegnare ad apprendere con KINFOR". LXXXVII CONGRESSO NAZIONALE SOCIETÀ ITALIANA DI
FISICA; Milano - Bicocca, 24 - 29 settembre 2001.
15) E. Sassi (2001): Le Difficoltà Di Apprendimento In Fisica Ed Il Laboratorio In Tempo-Reale. Atti del
convegno “TED. Tecnologie Didattiche Innovative", Genova, 12-14 febbraio 2001, pp. 81-84.
1) P.Guidoni: Per una formazione culturale in fisica: partire "presto", come e perché Congresso SIF 2001,
Milano.
2) P.Guidoni: Spiegare e capire in Fisica: un progetto per l'innovazione curricolare e la formazione degli
insegnanti Congresso SIF 2001, Milano.
3) P.Guidoni: Early start for Physics understanding (+ organisation of workshop W5) Cird/Girep Seminar
"Developing formal thinking in Physics", Udine, 2-6 september 2001.
4) P.Guidoni: Quale Matematica e quale Fisica per i futuri Cittadini, Congresso UMI, Ischia, 15-17/11 2001.
5) P.Guidoni: Linee strategiche e orientamenti per la progettazione di esperienze, Convegno Nazionale progetto
SeT, Fiuggi, 27-28/11 2001.
6) Balzano E. (2001): "Le attività didattiche in laboratorio. Strategie per insegnare a comprendere integrando
ragionamento, esplorazione della fenomenologia, misure". Relazione su invito ai "Seminari Nazionali di Ricerca
e Produzione", Reggio Calabria 3-7 aprile; 10-14 dicembre, nell'ambito del Protocollo d'intesa MIUR-SIF-SAIT
sulla costruzione dei curricoli di fisica.
EPISTEMOLOGIA E METODOLOGIA
CALCOLABILITÀ EFFETTIVA E LEGGI FISICHE
S. Guccione
Attività 2001
E' continuata la ricerca già portata avanti nell'anno precedente su leggi fisiche e calcolabilità
effettiva. Si è conclusa inoltre la ricerca sull'analisi logica-epistemologica della cosiddetta
"ipotesi forte dell'intelligenza artificiale".
Programma 2002
La ricerca su fisica e calcolabilità effettiva si focalizzerà sul problema della calcolabilità
effettiva delle costanti (costanti? A questo proposito vedi, ad esempio, il recente lavoro di
J.K. Webb et al., Phys. Rev. Letters, vol 87 number 9 , 27 August 2001) fisiche.
75
The previous year program on physical laws and computability has been continued. A
research on the analysis from logical and epidemiological point of view of the so called
"strong hypothesis of artificial intelligence" has been finalized.
2002 Program
The research on physics and computability will be focalized on the problem of computability
of physical constants (constants? see, e. g., the recent work by J.K. Webb et al., Phys. Rev.
Letters, vol 87 number 9 , 27 August 2001).
Pubblicazioni
1) Guccione, S. - "Una breve nota sulla fenomenologia dell'incertezza e sul problema Babele", in corso di stampa
su EPISTEMOLOGIA.
2) Guccione, S.- "Una lezione sull'ipotesi forte dell'intelligenza artificiale", inviato per la pubblicazione.
GEOFISICA
MODELLISTICA
G. Giberti, G. Russo, G. Sartoris, T. Vanorio*, S. Lorito*
Attività 2001
Stabilità meccanica e deformazioni superficiali di sistemi vulcanici.
Si sono sviluppati modelli numerici per analizzare la deformazione superficiale del sistema
vulcanico Somma-Vesuvio (Napoli) in risposta ad una pressione applicata in un eventuale
sistema di alimentazione magmatico superficiale. L’analisi è stata condotta per determinare
l’influenza sul campo di deformazioni superficiali della presenza di zone di eterogeneità con
forti contrasti laterali e orizzontali nelle proprietà elastiche. La ricerca è connessa a una
tematica sviluppata da anni dal gruppo sulla valutazione e la prevenzione del rischio
vulcanico.
Misure di proprietà fisiche delle rocce vulcaniche (Campi Flegrei, Vesuvio).
Sono state effettuate una serie di misure di laboratorio per determinare alcune proprietà
fisiche, quali porosità, velocità ultrasoniche longitudinali e trasversali, anisotropia, su
campioni di rocce dei Campi Flegrei, carotati a varie profondità in pozzi AGIP (località San
Vito e Mofete). Sugli stessi campioni sono continuate (Laboratoire des Geomateriaux, Institut
de Physique du Globe de Paris) misure di permeabilità, dell'attenuazione e di conduttività
termica e elettrica.
Modellizzazione del comportamento elastico-reologico di rocce vulcaniche dedotto da misure
di proprietà fisiche
L’attività di ricerca é mirata all’ottenimento di vincoli necessari per l’interpretazione sia di
modelli di deformazione del suolo sia dati sismici di pozzo e di superficie. L’analisi di un
database sulle proprietà acustiche ed idrauliche di campioni di roccia dei Campi Flegrei
effettuate in condizione di pressioni crostali ha fornito delle “signatures” sui meccanismi di
risposta acustica di una roccia sotto condizioni di pressione di fluido di poro e di carico.
Modellizzazione dell’attenuazione anelastica delle onde sismiche. L'attività ha riguardato la
propagazione di onde sismiche in mezzi visco-elastici. Una tale reologia riveste interesse per
76
la modellizzazione della propagazione del segnale sismico in aree ad alta temperatura, come
quelle vulcaniche. Il modello che è stato sviluppato si basa su una sovrapposizione di Solidi
Lineari Standard con diversi tempi di rilassamento. Una tale configurazione è stata scelta per
simulare un andamento dello stress simile a quello che si osserva nelle rocce. I tempi di
rilassamento sono determinati attraverso una minimizzazione della variazione del fattore di
attenuazione Q intorno al suo valore medio calcolato su un assegnato intervallo di frequenze.
Il modello si basa su pochi parametri facilmente determinabili ed è stato pensato per una
efficiente implementazione numerica in codici alle differenze finite nel dominio del tempo.
Programma 2002
Misure di proprietà fisiche delle rocce vulcaniche (Campi Flegrei).
Continuando l’attività di ricerca di laboratorio di cui sopra è iniziata la fase di interpretazione
dei dati finora raccolti e una nuova serie di misure al variare della pressione e della
temperatura. Inoltre una buona parte dell’attività sarà incentrata sull’analisi di dati di pozzo
[dati AGIP] per caratterizzare le proprietà fisiche dei reservoirs e le loro condizioni di
pressione. L’analisi fornirà relazioni tra le proprietà fisiche (porosità, mineralogia, presenza di
fluidi, pressione) e quelle elastiche. Tali relazioni saranno interpretate utilizzando modelli di
mezzi porosi granulari e litoidi. L’attività è finalizzata allo sviluppo nei prossimi anni di una
modellizzazione termica e meccanica dei Campi Flegrei.
Modelli termici dei Campi Flegrei.
E’ iniziata una modellizzazione/simulazione della storia termica dei Campi Flegrei, che in
base a ipotesi sulla messa in posta della camera magmatica, della sua evoluzione, delle
eruzioni che si sono succedute e sull’effetto che la convezione naturale in acquiferi, a tempi e
fasi successive, ha sulla trasmissione del calore, cerca di riprodurre quelle che sono le
caratteristiche attuali del campo di temperatura in profondità e dell’eventuale camera
magmatica residua. La ricerca è finalizzata alla prevenzione del rischio vulcanico, e a trovare
modelli che permettano una migliore definizione delle proprietà del mezzo per analisi di
stabilità meccanica.
Campo geomagnetico
E’ iniziata una ricerca che comporta l’analisi di sequenze continue di dati paleomagnetici con
applicazione della trasformata wavelet per l’individuazione di comportamenti singolari
(reversal, escursioni) e di comportamenti periodici o quasi periodici con comparazione tra
risultati di simulazioni magnetoidrodinamiche e altre serie di dati paleomagnetici. La finalità
della ricerca è la possibilità di interpretare vari comportamenti del campo geomagnetico, e in
particolare in questa fase, esplorare il ruolo di influenze orbitali sul campo magnetico terrestre
e elaborare modelli statistici dell’accoppiamento tra campo magnetico terrestre e moti orbitali.
Stabilità meccanica e deformazioni superficiali di aree vulcaniche.
Verranno ulteriormente sviluppati i modelli per la determinazione del campo di deformazione
superficiale al Vesuvio, integrandone i risultati con quelli già formulati dallo lo studio della
stabilità meccanica. Questo potrà aiutare ad avere una visione più chiara del comportamento
meccanico dei vulcani. Verrà inoltre più sistematicamente usato il modello di evoluzione
della pressione interna ad una camera magmatica per studiare le condizioni di formazione di
piccole caldere.
Mechanical stability and surface deformation of volcanic areas.
We have developed, in the framework of linear elasticity, numerical models to analyse the surface deformation
field of the volcanic complex Somma-Vesuvius (Napoli, Italy) in response to a change of pressure in a possible
shallow magmatic feeding system. The analysis has been conducted to determine the influence on the surface
77
deformation field of the presence of strong lateral and horizontal rocks’ heterogeneities. This research is
connected to a general research on the evaluation and prevention of the volcanic risk.
Measures of physical properties of volcanic rocks (Campi Flegrei, Vesuvio).
Some properties of rocks of Campi Flegrei (Agip samples, collected at different depths in the geothermal wells of
San Vito e Mofete), as porosity, ultrasonic velocity of P- and S-waves and anisotropy have been measured,
together with M. Zamora and collaborators (Laboratoire des Geomateriaux, Institut de Physique du Globe de
Paris). Moreover measures of permeability, thermal and electrical conductivity and attenuation are in progress.
Modelling of the elastic-rheologic behaviour of volcanic rocks obtained from measures of physical properties.
Goals of this research are aimed at providing constraints for ground deformation models and seismic and sonic
log survey interpretation. This research activity is focused on the analysis of a compiled rock physics database
about the acoustic and hydraulic properties of Campi Flegrei rocks. The database has been compiled under fluid
and confined pressure conditions. Data analysis provide signatures on how petrophysical properties affect
seismic response and enables us for a better understanding of the wave propagation mechanisms under pressure
and fluid saturated conditions.
Modelling of the anelastic attenuation of seismic waves. The activity was devoted to the study of seismic waves
propagation in viscoelastic media. Such a rheology is used to model seismic waves propagation in high
temperature areas, such as volcanic structures. The model is based on a superposition of Standard Liner Solids
having different relaxation times. This configuration has been chosen to obtain a variation of the stress with time
similar to that observed for actual rocks. The relaxation times are determined by minimising the variation of the
quality factor Q around its mean value over an assigned frequency interval. The model is based on a small
parameters number which can be easily determined. It was developed to have an efficient implementation in
finite differences codes in time domain.
2002 Program
Measures of physical properties of volcanic rocks (Campi Flegrei, Vesuvio).
Going on with the above mentioned research activity, it has begun the phase of interpretation of the collected
data and e new series of measures with different conditions of pressure and temperature. Moreover, well log
analysis [AGIP data] will provide a characterisation of the in situ reservoir properties as well as of its
conditions (e.g. effective pressure, formations pressure and, overpressure). By analysing well logs and core data
meaningful rock physics relations can be determined to relate the elastic reservoir properties to porosity,
mineralogy, pore fluid, and effective pressure. These relations will be interpreted by using effective- and
granular- porous medium models. The overall activity will provide constraints for the thermal and mechanical
modelling of the Campi Flegrei volcanic area.
Thermal models of Campi Flegrei
It has begun an activity in which models and simulations are developed for the thermal history of Campi Flegrei
volcanic area. This models aim in reproducing which are the present thermal features of the field at shallow
depth and of the possible residual reservoir, on the basis of the time and size of the primary reservoirs, possible
refillings, of the series of the eruptions, and considering the role of convection in aquifers on the heat transfer
overall process. The final goals of this research are both the evaluation and prevention of the volcanic risk and
the finding of reliable models for the mechanical analysis of the area.
Geomagnetic field
It has begun a new research whose goal is the analysis of continuos sequences of paleomagnetic data applying
the Wavelet Transform to individuate singular behaviour (excursion and reversals) and periodical behaviour:
Comparison with data coming from 3D complete magnetohydrodynamic simulation results and other
paleomagnetic data series are used to analyse results. The goal of the research is to characterise some features
of geomagnetic field and, in particular, in this phase, to explore the role of orbital influences on the Earth’s
magnetic field and to elaborate statistical models of orbital motion/ Earth’s magnetic field coupling.
Mechanical stability of volcanic areas.
We will continue the research on the surface deformation field of Vesuvius volcano merging the results with that
already obtained for the mechanical stability. This will give a comprehensive view of the overall dynamics of the
volcano. Part of the activity will be devoted to the study of the conditions under which an eruption generated by
a magma chamber can cause a caldera collapse. In particular the interplay between the shape of the chamber,
its depth, and the pressure within it will be studied exploiting the steady model of the evolution of the pressure
we have developed.
Pubblicazioni
78
1. Vanorio T., Prasad M., Patella D. Nur A. (2001): Ultrasonic velocity measurements in volcanic rocks:
correlation with microtexture, Geophys. J. Int., 149, 4, 1-21
2. G Russo, G. Giberti: Effects of asymmetries on the surface displacements of Mount Vesuvius (Italy),
submitted to J. Volcanol. Geother. Res, January 2002
3. Vanorio T., Prasad M., Patella D. Nur A. (2002): Estimate of induced pore pressure and related ground
deformation in volcanic rocks based on laboratory measurements, submitted to JGR
4. Russo G, Zollo A: Constant Q modelling of visco-elastic attenuation of seismic body waves, submitted to
Geophysics (April 2002)
5. Lorito, S., Giberti, G., Siniscalchi, A., Iorio, M.: Wavelet analysis on paleomagnetic (and computer
simulated) VGP time series, Submitted to Annali di Geofisica (2002).
GEOFISICA APPLICATA
B. Di Fiore*, R. Di Maio, T. Iuliano*, P. Mauriello*, D. Patella, Z. Petrillo*
Attività 2001
Applicazione di metodi elettromagnetici alla vulcanologia: studi geofisici integrati
nelle aree di vulcanismo attivo dell’Italia meridionale (Vesuvio, Campi Flegrei, Etna,
Vulcano, Stromboli); prime applicazioni dei metodi magnetotellurico e magnetovariazionale
ad alta risoluzione a mare (golfo di Pozzuoli).
Tomografia 3D: sviluppo e calibrazione del metodo d’inversione tomografica 3D
integrata di dati di potenziale spontaneo, geoelettrici, magnetotellurici, gravimetrici e
magnetici; applicazione alle strutture vulcaniche napoletane e alla definizione di strutture
crostali lungo profili CROP.
Sviluppo del laboratorio di misura delle proprietà fisiche delle rocce: acquisizione
della strumentazione e prove sperimentali per lo studio delle proprietà elettriche; sviluppo di
sensori non invasivi per geoelettrica e polarizzazione spontanea e indotta.
Geofisica applicata ai Beni Culturali: acquisizione di nuove antenne georadar
nell’ambito del progetto IGAPS (Integrated Geophysical Acquisition & Processing System);
campagne di misura nei parchi archeologici di Cuma, Pompei e Sibari e completamento delle
misure nel Complesso Monumentale di San Giovanni a Carbonara (NA).
Studio di aree geodinamiche attive: campagna multi-metodologica (metodi impiegati:
potenziale spontaneo, geoelettrico, elettromagnetico, magnetico, gravimetrico, sismico,
gamma-ray) all'isola di Vulcano per la definizione di un modello strutturale e dinamico delle
aree caratterizzate da processi vulcanici attivi.
Geofisica Ambientale: studio dei processi di inquinamento di suoli e falde indotti da
discariche di R.S.U. attraverso indagini geofisiche integrate (elettriche, elettromagnetiche,
sismiche); applicazioni a vecchie discariche (Modena, Frosinone) per l'eventuale bonifica
delle aree limitrofe.
Tecniche geofisiche e termografiche per il controllo di costruzioni murarie: sono state
effettuate misure di laboratorio geofisiche (potenziale spontaneo, geoelettriche, ultrasoniche)
e termografiche (con tecnica impulsiva e lock-in) su pannelli costituiti da materiali che
generalmente entrano a far parte di qualsiasi tipo di muratura, in cui sono inserite
disomogeneità di varia natura (delaminazioni, cricche, bolle d'aria, fratture, umidità). Le
misure sono state eseguite presso il laboratorio di "Gasdinamica" diretto dal prof.
G.M.Carlomagno (Ingegneria, UNINA), responsabile scientifico delle indagini termografiche.
Applicazione di metodi geofisici a studi planetari: l'obiettivo di questa ricerca
(A.C.QU.A. experiment, Coordinatore Nazionale: Dr M.Storini, IFSI-CNR), finanziata
dall'ASI nell'ambito del Mars Surveyor Program Lander Mission (NASA), consiste nella
79
progettazione di un apparato strumentale in grado di operare a bordo di un modulo Lander nel
corso di future missioni su Marte. Il principale obiettivo di questo esperimento è la
caratterizzazione elettrica della parte più superficiale del suolo marziano, allo scopo di
evidenziare l'eventuale presenza di acqua liquida o ghiaccio. A tal fine è stata messa a punto
una tecnica non-invasiva e non-distruttiva, attraverso l'uso di un apparato elettrodico
quadripolare non in diretto contatto con il terreno, per misure di spettroscopia dielettrica di
suoli simil-Marte. Il metodo fornisce la misura della permittività complessa del suolo in
funzione della frequenza, è in grado, quindi, di identificare i processi di rilassamento del
ghiaccio, e di qui l'eventuale presenza di acqua su Marte.
Programma 2002
Applicazione di metodi elettromagnetici alla vulcanologia: campagne intensive di
misure magnetotelluriche e magnetovariazionali a mare nei campi Flegrei e a terra nell’area
vulcanica Etnea.
Tomografia 3D: ulteriori sviluppi del metodo d’inversione tomografico integrato 3D
per dati elettromagnetici, gravimetrici, magnetici e di deformazione del suolo.
Geofisica applicata ai Beni Culturali: sviluppo di una metodologia d’inversione di
segnali georadar nell’ambito del progetto IGAPS; continuazione delle campagne di misura nel
parco archeologico di Sibari.
Studio di aree geodinamiche attive: modellizzazione delle principali strutture
tettoniche superficiali del complesso Vulcano-Lipari-Salina mediante rilievi di potenziale
spontaneo e di geoelettrica dipolare; progettazione e realizzazione di una base dati di tutte le
informazioni georeferenziate, includendo tutti i dati (geofisici, geologici, geodetici,…)
disponibili per l'area selezionata e sua integrazione in un sistema di visualizzazione multidimensionale applicato ad un Geographical Information System (G.I.S.).
Tecniche geofisiche e termografiche per il controllo di costruzioni murarie:
continuazione delle misure geofisiche e termografiche di laboratorio e messa a punto dello
schema di acquisizione, elaborazione e interpretazione integrata di dati geofisici e
termografici; applicazione a indagini micro-strutturali su edifici di diversa epoca e tipologia
costruttiva del napoletano.
Applicazione di metodi geofisici a studi planetari: verifica delle potenzialità dello
schema di misura proposto nell'ambito dell'esperimento A.C.QU.A. su particolari sistemi
granulari, costruiti in laboratorio, in grado di simulare un suolo marziano (le misure saranno
eseguite presso i laboratori dell'Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario - CNR, Roma).
Electromagnetic methods applied to volcanology: integrated geophysical studies in active volcanic
areas of Southern Italy (Vesuvio, Campi Flegrei, Etna, Vulcano, Stromboli); first applications of high-resolution
magnetotelluric and magnetovariational methods and techniques offshore (Gulf of Pozzuoli).
3D Tomography: development and testing of an integrated 3D tomographic inversion methods of self-potential,
geoelectric, magnetotelluric, gravimetric and magnetic data; applications to the Neapolitan volcanic structures
and to the definition of crustal structures along CROP profiles.
Development of the laboratory of rock physical properties: acquisition of equipments and first experiments of
electric properties; development of non-invasive sensors for geoelectric, self- potential and induced polarisation
signals.
Geophysics applied to Cultural Heritage: acquisition of new GPR antennae in the frame of the IGAPS
project (Integrated Geophysical Acquisition & Processing System); field surveys in the archaeological parks of
80
Cuma, Pompei and Sibari and further measurements in the Monumental Complex of San Giovanni a Carbonara
(Naples).
Study of active geodinamic areas: multi-methodological prospecting (employed methods: self-potential,
geoelectric, electromagnetic, magnetic, gravity, seismic, gamma-ray) on the Vulcano island to develop a
geostructural and dynamic model describing the active volcanic areas.
Environmental Geophysics: study of the pollution processes of soils and acquifers due to waste deposits
by integrated geophysical methods (electric, electromagnetic, seismic); applications to old landfills (Modena,
Frosinone - Italy) in order to reclaim the neighbouring areas.
Geophysical and thermographical techniques for building structures control: geophysical (selfpotential, geoelectric, ultrasonic) and thermographical (pulse and lock-in approaches) laboratory measurements
have been carried out on building material samples, showing structural and/or physical heterogeneity (i.e.
delaminations, cracks, air bubbles, fractures, dampness). The measurements have been performed at the
"Gasdinamica" laboratory, directed by prof. G.M. Carlomagno (Engineering Department, University "Federico
II" of Naples), who is the scientific responsible of the thermographical measurements.
Application of geophysical methods to planetary studies: the objective of this research (A.C.QU.A.
experiment, National Coordinator: Dr M.Storini, IFSI-CNR), supported by ASI in the frame of the Mars
Surveyor Program Lander Mission (NASA), consists of an experimental package envisioned to operate on
board of a space lander module in the course of future missions to Mars. The main task of this experiment is the
electrical characterisation of the Martian shallow surface with particular reference to search for liquid or iced
water. For this purpose, a non-destructive and non-invasive approach, by using contact-less probes, is had
setting-up to perform the dielectric spectroscopy of like-Mars soils. The method provides the measurement of the
soil complex permittivity as a function of the frequency, allowing the identification of the iced water relaxation
processes, thus tracing the presence of water on Mars.
2002 Program
Electromagnetic methods applied to volcanology: intensive magnetotelluric and magnetovariational
surveys offshore in the Phlegrean Fields caldera and inland in the Etnean volcanic area.
3D Tomography: further developments of the integrated 3D electromagnetic gravimetric, magnetic and ground
deformation tomography.
Geophysics applied to Cultural Heritage: development of an inversion method for georadar signals in the frame
of the IGAPS project; continuation of the field surveys in the archaeological park of Sibari.
Study of active geodinamic areas: modelling of the shallow crustal structures of the Vulcano-LipariSalina complex by self-potential and geoelectrical measurements; set-up and management of a data base able to
manage all the geo-referenced information (coming from geophysics, geology, geodesy and so on) available for
the selected area; integration with a multi-dimensional data visualisation system linked via a Geographical
Information System (G.I.S.).
Geophysical and thermographical techniques for building structures control: continuation of the
geophysical and thermographical laboratory measurements and development of an integrated interpretation
methodology of geophysical and termographical data; application to micro-structural surveys of historical
Neapolitan buildings.
Application of geophysical methods to planetary studies: check of the measurement scheme proposed in
the frame of the A.C.QU.A. experiment on particular mixtures that could be used as Mars surface analogues (the
measurements will be carried out at the laboratories of the Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario - CNR,
Rome).
Pubblicazioni
1. T.Iuliano, P.Mauriello and D.Patella, 2001: A probability tomography approach to the analysis of potential
field data in the Campi Flegrei caldera (Italy). Annali di Geofisica, vol.44, n.2, 403-420
2. P.Mauriello and D.Patella, 2001: Gravity probability tomography: a new tool for buried mass distribution
imaging. Geophysical Prospecting, vol.49, n.1, 1-12
3. P.Mauriello and D.Patella, 2001: Localization of maximum-depth gravity anomaly sources by a distribution
of equivalent point masses. Geophysics, vol.66, n.5, 1431-1437
4. Cossu R., Di Maio R. and Raga R., 2001: An integrated geophysical survey of an old landfill site with use of
explosive as energy source for the seismic methods. Proceedings of the Eighth International Waste
Management and Landfill Symposium, S.Margherita di Pula (Cagliari, Italy)
81
5. Pettinelli E., Della Monica G., Bella F., Losito G., Di Maio R., Vannaroni G., Storini M., Orsini S. and
Cerulli-Irelli R., 2001: High and low frequency electrical measurements of martian soil simulants.
Proceedings of the Conference on Geophysical Detection of Subsurface Water on Mars, Houston (Texas)
6. Salemi G., Achilli V., Di Maio R. e Supper R., 2001: Qualità e incompatibilità del dato nei sistemi
informativi geografici. Proceedings della 5a Conferenza Nazionale Asita: "La qualità nell'Informazione
Geografica", Rimini (Italia).
Comunicazioni e posters a congressi
1. D. Patella: Electromagneting monitoring of crustal dynamics. EC Workshop on Gavdos Propject, Chania,
Crete, September 2001
2. B.Di Fiore, P.Mauriello, D.Monna and D.Patella: Application of geoelectric probability tomography to
archaeology and historical buildings. 3rd International Conference of Cultural Heritage, Alcalà de Henares,
Spagna, Luglio 2001
3. T.Iuliano, P.Mauriello and D.Patella: Geophysical integrated probability tomography applied in the volcanic
area of Mount Somma-Vesuvius. Annual Meeting of the European Geophysical Society, Nice, Francia,
Marzo 2001
4. T.Iuliano, P.Mauriello and D.Patella: Geophysical integrated probability tomography applied in the volcanic
area of Campi Flegrei. Annual Meeting of the European Geophysical Society, Nice, Francia, Marzo 2001
5. D.Patella: New perspectives of the Self-Potential probability tomography. Annual Meeting of the European
Union of Geosciences, Strasbourg, Francia, Giugno 2001
6. T.Iuliano, P.Mauriello and D.Patella: Geophysical definition of the Campi Flegrei caldera structure. I:
Analysis of potential field data by probability tomography. Convegno Annuale del Gruppo Nazionale di
Vulcanologia, Roma, Ottobre 2001
7. D.Patella, B.Di Fiore, P.Mauriello and Z.Petrillo: Integrated geophysical methods in volcanic environment
investigations. Applications to Etna and Vulcano. Convegno Annuale del Gruppo Nazionale di Vulcanologia,
Roma, Ottobre 2001
8. D.Patella: The role of field vectors constitutive relationships in applied geoelectromagnetism. 3rd
International Workshop on Geoelectromagnetism, Lerici (SP), Settembre 2001
9. D.Patella: Geophysical tomography in engineering geology. An overview. 7th International Meeting of the
Brazilian Geophysical Society, Salvador, Brasile, Settembre 2001
10. Pettinelli E., Cereti A., Paolucci F., Della Monica G., Bella F., Losito G., Di Maio R., Storini M., Orsini S.
and Cerulli-Irelli R.: High- and low-frequency electrical measurements on Mars-like materials. XXVI
General Assembly of European Geophysical Society, Nice, 25-30 march 2001
11. Achilli V., Del Negro C., Di Maio R., Salemi G., Supper R., Meurers B., Römer A., Aric K. and Seiberl W.:
Multidisciplinary and multi-methodological approach for the study of active volcanic areas. Preliminary
results for the Vulcano island test site (Southern Sicily, Italy). II International Workshop on Geo-ElectroMagnetism, Lerici (La Spezia, Italy), 26-28 September 2001
12.
Paolucci F., Bella F., Della Monica G., Di Maio R., Storini M. e Vannaroni G.: Studio delle
caratteristiche elettriche di un sistema granulare in grado di simulare un suolo marziano. XX Convegno del
GNGTS-CNR, Roma, 6-8 novembre 2001.
GEOFISICA NUCLEARE
L. Civetta
Attività 2001
Durante il 2001 sono state svolte ricerche finalizzate alla definizione della struttura e dell’evoluzione
dei sistemi magmatici dei vulcani attivi napoletani e di altri vulcani in Brasile, in Etiopia e in
Antartide, di particolare interesse geodinamico. Le ricerche sono state svolte utilizzando
prioritariamente la composizione isotopica (Sr, Nd, Pb, B) di rocce e minerali, quale tracciante della
natura della regione sorgente dei magmi e dei processi operanti durante la risalita dei magmi verso la
superficie terrestre. La strumentazione usata per le misure di composizione isotopica è stata uno
spettrometro di massa a ionizzazione termica multicollettore. I risultati di tale ricerca tutt’ora in atto
82
ha permesso di definire la genesi dei magmi vesuviani e flegrei in una zona del mantello a circa 100
km di profondità al di sopra della placca Apula in subduzione e la struttura del sistema magmatico
caratterizzata da una camera magmatica complessa fra 10 e 20 km di profondità per ambedue i vulcani
e serbatoi magmatici più superficiali che hanno alimentato le ultime eruzioni.
Activity 2001
During 2001 the nuclear geophysic group has carried out researches focussed on the definition of structure and
evolution of magmatic system of neapolitan active volcanoes and of other volcanoes of particular geodynamic
significance located in Brasil, Ethiopia and Antarctica. The researches have been made using the isotope
composition (Sr, Nd, Pb, B) of minerals and rocks as tracers of the nature of magma source region and of
processes acting during the uprising of magmas toward the earth surface. The instrument used for isotopic
analysis was a thermal- ionization- multicollector mass spectrometer. The results of this research , actually in
progress, has allowed us to model the genesis of Vesuvio and Campi Flegrei magmas in a mantle region at
about 100 km of depth, above the Apulian subducting slab and the structure of the magmatic systems,
characterized by deep magma chambers ( 10- 20 km of depth) and shallower reservoirs that fed the most recent
eruptions
Pubblicazioni.
- G. De Marchi, P. Antonini, E. M. Piccirillo, G. Orsi, L. Civetta, M. D’Antonio (2001). Significance of
orthopyroxene and major element costraints on the petrogenesis of Ferrar tholeiites from southern Prince Albert
Mountains, Victoria Land, Antarctica. Contrib. Mineral. Petrol., 142, 127-146.
Presentazioni a congressi
1. G. Orsi, L. Civetta, M. Di Vito, R. Isaia (2001). Volcanic hazard assessment at the restless Campi Flegrei
caldera, Italy. European Geophysical Society, XXVI General Assembly, Nice, France 25-30 March 2001
2. L. Civetta, M. D’Antonio, L. Pappalardo, R. Petrini, M. Piochi (2001). Campi Flegrei : evidence of
multistage magmatic evolution . European Geophysical Society, XXVI General Assembly, Nice, France 2530 March 2001
3. S. Tonarini, L. Civetta, M. D’Antonio, L. Pappalardo, R. Petrini, M. Piochi (2001). Boron geochemistry in
the Phlegrean volcanic district (PVD): role of subduction in the magma genesis. European Geophysical
Society, XXVI General Assembly, Nice, France 25-30 March 2001
4. L. Civetta, M. D’Antonio, G. De Astis, G. Orsi, L. Pappalardo, M. Piochi (2001). New insights in the
plumbing system evolution of the Phlegrean volcanic distict. European Geophysical Society, XXVI General
Assembly, Nice, France 25-30 March 2001.
83
SISMOLOGIA
E. Auger*, M.L. Bernard*, A. Bobbio*, M.T. Bonagura*, L. Boschi*, P. Capuano*, V. Convertito*, L.
D’Auria*, S. De Lorenzo*, R. De Matteis*, A. Emolo*, G. Festa*, P. Gasparini, A. Herrero*, G. Iannaccone*,
L. Improta*, S. Nielsen*, V. Nisii*, R. Prevete*, G. Russo, A. Zollo
Attività 2001
Tomografia sismica dei Campi Flegrei
L’attività di ricerca si è svolta su tre piani paralleli. Da un lato è stato costituito il database di
forme d’onda e tempi di primo arrivo relativo ai terremoti registrati durante l’ultima crisi
bradisismica. A questi dati verranno aggiunti, probabilmente, altri dati di sismica attiva
relativi a campagne sismiche effettuate durante gli anni Ottanta. Sono già disponibili per i
partecipanti al progetto, invece, dati gravimetrici, misure di proprietà fisiche delle rocce e
misure di temperatura. Per ottenere dati più finalizzati agli scopi del progetto è stato
organizzato l’esperimento Serapis in collaborazione con la società francese IFREMER. La
nave oceanografica Nadir, dotata di airgun ad aria compressa, ha effettuato scoppi con
spaziatura di circa 100 m lungo profili studiati per indagare la struttura della caldera flegrea
sia a scala regionale, che a scala locale. Per registrare gli scoppi sono state dispiegate circa 60
stazioni a terra e 80 sismografi da fondo oceanico. Sotto un profilo metodologico, infine, sono
stati messi a punto i metodi che verranno utilizzati per l’analisi dei dati. È stato inoltre
approntato un modello preliminare basato sulle attuali conoscenze geofisiche, geologiche e
vulcanologiche dell’area flegrea, allo scopo di testare i metodi. Il progetto coinvolge 7 unità
operative (6 italiane e una francese) ed è coordinato dal prof. A. Zollo. Sia il progetto di
tomografia, sia l’esperimento Serapis sono stati finanziati dalla Protezione Civile e dal GNV.
Ricerche sulle sorgenti sismiche dell’Italia centro meridionale
L’attività di ricerca in questo settore è orientata allo sviluppo di metodologie per la
modellistica diretta e l’inversione di registrazioni accelerometriche allo scopo di ricostruire le
modalità della fratturazione sismica nella crosta appenninica e di predire i movimenti forti del
suolo durante i terremoti. Essa riguarda inoltre studio dei processi dinamici di frattura
utilizzando metodi diretti per il calcolo della radiazione accelerometrica attesa. Questa attività
è svolta nell’ambito di tre progetti, due (VIA e Traiano) finanziati dal GNDT e uno dal CIPEMURST. Le tematiche sviluppate sono le seguenti:
-Elaborazione di modelli del campo accelerometrico prodotto da forti terremoti a scala
regionale ed urbana con applicazione all’Irpinia e al Sannio.
-Studio delle registrazioni accelerometriche della recente sequenza sismica dell’Appennino
umbro-marchigiano per la definizione della dinamica dei processi di frattura.
-Modelli crostali e sorgenti sismiche nella regione beneventana.
Progetto EDUSEIS
Effettuato in collaborazione con la “Città della Scienza”, il progetto ha lo scopo di creare una
rete telematica di sismografi digitali a larga banda, a costi contenuti, nelle scuole superiori
della Campania. L’architettura e il funzionamento della rete sono concepiti per operare in
ambiente WEB con lo scopo di introdurre l’insegnamento della sismologia in una regione,
quale la Campania, caratterizzata da un elevato rischio sismico e vulcanico. A regime il data
base della rete EDUSEIS può essere utilizzato per ottenere informazioni sia sulle eterogeneità
litosferiche che sui parametri di sorgente dei terremoti. Nell’anno in corso il progetto ha
ricevuto un finanziamento dal GNDT.
84
Nel 2001 è stata sviluppata l’interfaccia web attraverso cui è possibile visualizzare i
sismogrammi acquisiti dalle stazioni della rete ed operare semplici operazioni (zoom,
identificazione di fase, misura del tempo d’arrivo, filtraggio ecc.); è stata inoltre sviluppata
una collaborazione con il produttore del sistema di acquisizione per migliorare il sistema di
recupero e pre-trattamento dati e creare una procedura che consente via web di controllare e
modificare i parametri di acquisizione delle stazioni. È stato inoltre sviluppato il sito dove
vengono archiviate le tracce registrate, con particolare attenzione alla una sezione didattica di
esperienze guidate che si basano sull’utilizzo dei sismogrammi registrati. In collaborazione
con la fondazione IDIS si effettua anche un corso di formazione e aggiornamento degli
insegnanti della scuola secondaria superiore.
Ricerche di storia dell’Ateneo
È in corso di compilazione una storia dell’Ateneo Federico II.
Programma 2002
I temi di ricerca dovrebbero rimanere gli stessi. Verranno portate avanti le attività di ricerca
relative ai vari progetti finanziati dal GNV, dal GNDT e dal MURST
Seismic tomography of Campi Flegrei
The research activity has followed three branches. The first is the development of the database containing
waveforms and first arrival times of the earthquakes recorded during the last bradiseismic crisis. The database
will probably contain also data from active seismic filed recording carried on during the past. The database
already contains gravimetric data, physical properties of rocks and temperature measurements. To collect data
more suitable for the aims of the project the experiment Serapis was carried on. The French ship Nadir,
equipped with airguns, performed a large series of shots (spacing about 100 m) along profiles, both in the gulfs
of Napoli and Pozzuoli, with a substantial part of them in the Pozzuoli bay. About 60 stations on-land and about
80 OBS were deployed to record the shots. Under the methodological point of view, the methods that will be
used to analyze data have been developed. A preliminary model based on the geophysical, geological and
volcanological knowledge of the area has been developed to test the performances of the methods. The project
has been approved and finantially supported by GNV. It is coordinated by A. Zollo, who is also the coordinator
of one of the Working Units of Naples
Seismic sources in central and southern Italy
Research in this field is aimed at the development of methodologies for direct and inverse modeling of
accelerometric recordings to infer the characteristics of seismic fracturing of the apenninic crust and to predict
strong ground motion during earthquakes. The research is also based on the study of the dynamic processes that
govern the development of a fracture. This research is developed in the framework of three research projects.
The activity is focussed on the following themes:
- Regional and local scale modeling of the accelerometric field produced by strong earthquakes with application
to Irpinia and Sannio.
- Processing of the accelerometer recordings of the recent seismic sequence in the Umbria-Marche Apennines to
define the dynamics of fracture processes;
-Crustal models and seismic sources in the area of Benevento;
EDUSEIS project
This project is carried out jointly with “Città della Scienza”. Its aim is the creation a telematic network of
digital, broad band low cost seismometers in high schools of Campania. The architecture of the network is
conceived to work in WEB environment The project’s goal is the introduction of seismology teaching in high
schools and technical schools located of a high seismic and volcanic risk region, such as Campania. Once the
project is fully settled, the collected data base can be used to get information on the small scale heterogeneity of
the lithosphere and of seismic source parameters. During this year the project has been financtially supported
by GNGTS. During 2001 the web interface have been developed, both to make it possible to perform simple
85
operations on the waveforms of the database (picking, filtering etc.), and to develop a procedure that makes it
possible to change the settings of the acquisition via TCP/IP. Also, upgrading classes for teachers have been
organized.
History of the University
A history of University “Federico II” of Naples is under way.
2002 Program
The activity will continue on the same research themes.
Pubblicazioni
1. Auger E., Gasparini P., Virieux J. and Zollo A., 2001, Seismic evidence of an extended magmatic sill under
Mt. Vesuvius, Science, 249, 1510-1512
2. S. de Lorenzo, P. Gasparini, F. Monelli, A. Zollo, in press. Thermal state of Campi Flegrei caldera inferred
from seismic attenuation tomography, Journal of Geodynamics
3. S. de Lorenzo, Zollo A. and Mongelli F., 2001, Source parameters and 3-D attenuation structure from the
inversion of microearthquake pulse width data: Qp imaging and inferences on the thermal state of the Campi
Flegrei Caldera, Journal of Geophysical Research, 106, 16,265-16,286
4. Emolo A. and Zollo A., submitted. Accelerometric radiation simulation for the September 26, 1997 UmbriaMarche (Central Italy) mainshocks, Annali di Geofisica
5. Improta L., Frattini M., Zollo A., Virieux J., Herrero A. and Dell’Aversana P., submitted. Mapping reflectors
in an overthrust-belt region by non-linear inversion of global offset seismic data, Geophysical Journal
International
6. Lomax A, Zollo A., Capuano P., and Virieux J., 2001, Precise, absolute earthquake location under SommaVesuvius volcano using a new 3D model, Geophysical Journal International, 146, 313-321
7. Russo G. and Zollo A., submitted. Constant Q modeling of viscoelastic attenuation of sesmic body waves,
Geophysics
8. Zollo A. and de Lorenzo S., 2001, Source parameters and 3-D attenuation structure from the inversion of
microearthquake pulse width data: Method, Journal of Geophysical Research, 106, 16,287-16,306
9. Zollo A., D'Auria L., De Matteis R., Herrero A., Virieux J. and Gasparini P., in press. Bayesian estimation of
2D P velocity models from active seismic arrival time data: imaging the shallow structure of Mt. Vesuvius
(southern Italy) from non linear inversion of first arrival times, Geophysical Journal International.
10. Zollo A., Marzocchi W., Capuano P., Lomax A., and Iannaccone G., in press. Space and time behaviour of
seismic activity of Mt. Vesuvius volcano (Southern Italy), Bulletin of the Seismological Society of America.
European Geophysical Society’s XXVII General Assembly, Nice, France
1. Convertito V., Herrero A. and Zollo A., Influence and implications of source parameterson probabilistic
seismic hazard analysis
2. Zollo A., Virieux J., Capuano P., Chiarabba C., De Franco R., Michelini A., Makris J., Musacchio G and
Serapis group, The project SERAPIS: high resolution seismic imaging of theCampi Flegrei caldera structure.
3. Emolo A. and Zollo A., Kinematic source parameters for the 1989 Loma Prieta earthquake from the
nonlinear inversion of accelerograms.
86
STORIA DELLA FISICA
RICOSTRUZIONE DELLA TRADIZIONE SCIENTIFICA LOCALE. USO DI
TECNOLOGIE FISICO - SPERIMENTALI PER L’ACQUISIZIONE D’INFORMAZIONI
D’INTERESSE STORICO E PER LA CLASSIFICAZIONE DEGLI STRUMENTI
SCIENTIFICI. APPRENDIMENTO SCIENTIFICO NEI MUSEI
F. Bevacqua, A. Borrelli*, F. Obrizzo*, R. Pisano, F.M. Scarpa, E. Schettino, R. Spadaccini*
Attività 2001
È dall’ottobre 1860, in accordo con la sistemazione della scuola italiana dovuta alla legge
Casati, che seguì anche il generale riordino dell'Università di Napoli compiuto da Francesco
De Sanctis, prima come direttore dal 24 Ottobre 1860 dell'Istruzione Pubblica nel Ministero
Conforti e poi come ministro della Pubblica istruzione dal 16 Febbraio 1861. L’obiettivo è
stato quello di analizzare se i provvedimenti adottati da De Sanctis per quanto riguarda le
Facoltà, gli insegnamenti e il corpo docente servirono a sollevare la ricerca, che come aveva
detto Melloni era un po’ “languente” a Napoli. L’analisi è stata effettuata attraverso un
raffronto su quanto si studiava in altri paesi d’Oltralpe e d’oltremanica. La ricerca ha
riguardato anche una ricostruzione non sola biografica dei primi direttori che si alternarono
sulla cattedra di fisica sperimentale dopo l’avvento dello stato unitario. In particolare, sono
state analizzate le attività scientifiche, compreso le innovazioni strumentali, di G. Govi, E.
Villari, M. Cantone e A. Carrelli.
Programma 2002
Nel 2002 si prevede di espandere le linee di ricerca sopra descritte.
Starting in October 1860, due to the Casati law and in agreement with the Italian school system, the University
of Naples underwent a general reorganization which was completed by Francesco De Sanctis. From 24 October
1860, De Sanctis was, first, the director of Public Education under Minister Conforti. Then, on 16 February
1861, he became the Minister of Public Education. The objective has been to analyze and determine if the
measures taken by De Sanctis regarding the faculty, the instruction and the teaching staff served to improve the
research, which was as Melloni said a little “languishing” in Naples. The analysis has been done by means of a
comparison on how much was studied in other European countries and in England. The research has regarded
also a reconstruction not only biographical of the first directors who chaired the department of experimental
physics after the advent of a unified Italy. In particular, the scientific activities of Govi, Villari, Cantone and
Carrelli have been analyzed.
2002 Program
During year 2002 we intend to expand the research activities described above.
Pubblicazioni
1. E. Schettino, L’Italia e la Convenzione del metro: negoziazioni tecniche scientifiche e amministrative, in
corso di stampa su Physis
2. E. Schettino, Il Museo di Fisica e le sue Collezioni, in corso di stampa su Il Sistema museale d’Ateneo, (a
cura di A. Fratta e S. Filosa) Fridericiana Napoli.
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FISICA DEI NUCLEI
E
DELLE RADIAZIONI
(Responsabile Prof. Renata Moro)
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FISICA NUCLEARE TEORICA
STUDIO DI SISTEMI NUCLEARI A MOLTI CORPI
F. Andreozzi, L. Coraggio*, A. Covello, A. Gargano*, N. Itaco, N. Lo Iudice, A. Porrino
Attività 2001
a) Studio della struttura nucleare a partire dall'interazione nucleone-nucleone.
Si è proseguito lo studio delle proprietà di nuclei complessi nell'ambito del modello a shell a
partire dall'interazione nucleone-nucleone (NN). Nell'ambito di questa problematica, si è
arrivati alla conclusione che le interazioni efficaci derivate dal potenziale NN (interazioni
efficaci "realistiche") consentono di riprodurre in modo quantitativo le proprietà della
struttura nucleare. Questa conclusione è fondata sullo studio dettagliato di vari nuclei (circa
venti) nelle regioni di massa dello 100Sn, 132Sn e 208Pb. Infatti, per tutti i nuclei considerati, i
risultati teorici sono in ottimo accordo con i dati sperimentali disponibili. Questa ricerca apre
quindi la strada ad una descrizione realmente microscopica della struttura nucleare.
b) Studio della struttura di nuclei leggeri mediante un modello a shell con due frequenze.
Si é fatto uso di un modello a shell con due frequenze di oscillatore armonico per descrivere
le proprietà spettroscopiche di alcuni nuclei leggeri, con numero di mass A<10. L'interazione
efficace é stata derivata dal potenziale di Bonn facendo uso del formalismo della matrice G di
Brueckner ed includendo le rinormalizzazioni provenienti sia dalla polarizzazione del "core"
che dai "folded diagrams". Il modello ha condotto a risultati in buon accordo con i dati
sperimentali, e migliori di quelli ottenuti da altri autori mediante calcoli estesi nell'ambito del
modello a shell convenzionale.
c)Modello a shell con base correlata.
Abbiamo riformulato il problema del modello a shell definendo una base correlata mediante
la partizione dello spazio delle configurazioni in sottospazi ortogonali. La base così ottenuta è
ortonormale e consente una notevole localizzazione della funzione d'onda con conseguente
drastica riduzione delle dimensioni dello spazio delle configurazioni. Questa riduzione ha
reso possibili calcoli di modello a shell altrimenti proibitivi sia per sistemi di particelle
identiche sia per nuclei con neutroni e protoni di valenza.
d)Eccitazioni orbitali magnetiche (scissors mode) in nuclei sferici.
Abbiamo studiato in uno schema microscopico multifononico le eccitazioni di bassa energia
in nuclei sferici medio pesanti, interpretate come stati a simmetria mista rispetto allo scambio
di protoni con neutroni nell'ambito del modello a bosoni interagenti (IBM). I risultati ottenuti
sono in buon accordo con i dati sperimentali e confermano lo schema interpretativo fornito
dall' IBM. Abbiamo inoltre mostrato che queste eccitazioni formano un multipletto di stati di
tipo "scissors". Esse forniscono pertanto la prima evidenza sperimentale di stati "scissors" in
nuclei sferici, ottenuti mediante l'eccitazione di stati collettivi quadrupolari.
e) Eccitazioni di spin nei nuclei deformati
Abbiamo fatto uso di una base microscopica multifononica per lo studio degli spettri di spin
di dipolo magnetico scoperti recentemente in nuclei deformati. I risultati ottenuti sono: 1)
l'accoppiamento tra stati a uno e due fononi induce una significativa frammentazione della
91
"strength" di dipolo magnetico in accordo con gli esperimenti, 2)abbiamo chiarito la natura
del caratteristico profilo a due gobbe di questi spettri mostrando che esse sono dovute a
eccitazioni separate di protoni e neutroni .
f) Eccitazioni orbitali di quadrupolo magnetico ("twist-mode") nei nuclei pesanti.
Abbiamo studiato in un ambito microscopico la risposta di quadrupolo magnetico nei nuclei
pesanti. Il nostro lavoro ha consentito di identificare le eccitazioni di quadrupolo magnetico
a bassa energia recentemente scoperte sperimentalmente come manifestazione del "twistmode". Abbiamo inoltre mostrato che, nei nuclei deformati, questo modo si spezza in tre
picchi di eccitazione in analogia con la risonanza gigante di dipolo elettrico e discusso la
possibiltà di osservare questo "splitting".
Programma 2002
a) I calcoli realistici di modello a shell effettuati finora hanno riguardato prevalentemente
nuclei con una shell chiusa, cioè con nucleoni di valenza identici. Un naturale sviluppo di
questa ricerca consiste nell'estendere tali calcoli a nuclei con neutroni e protoni di valenza,
in particolare nuclei lontani dalla valle di stabilità, con particelle e lacune di valenza nella
regione del 132Sn.
b) Si è aperta una linea di ricerca riguardante l'introduzione di un nuovo metodo di
derivazione dell'interazione efficace dal potenziale NN. Il nuovo metodo si fonda sulla
costruzione di un potenziale efficace NN mediante un opportuno "cutoff" nello spazio dei
momenti. Tale potenziale può essere usato direttamente nei calcoli di modello a shell, con
notevoli vantaggi rispetto al tradizionale uso della matrice G di Brueckner. I primi risultati
sono molto promettenti.
c) Intendiamo condurre studi di struttura nucleare facendo uso di un nuovo potenziale NN
derivato da una Lagrangiana effettiva chirale.
d) E' in fase avanzata di sviluppo un algoritmo iterativo che consente di calcolare in maniera
esatta un numero arbitrariamente scelto di autovalori e autovettori di matrici di grandi
dimensioni. Si stanno svolgendo test numerici per verificare se eso è competitivo rispetto
a metodi di diagonalizzazione di uso corrente, incluso Lanczos
e) Intendiamo fare uno studio sistematico delle eccitazioni di bassa energia nei nuclei sferici
medio-pesanti, con attenzione particolare alle eccitazioni isovettoriali caratterizzate da un
forte accoppiamento a quelle isoscalar tramite transizioni di dipolo magnetico di tipo
orbitale (scissors).
f) Intendiamo utilizzare un metodo di "strength function" nell'ambito della RPA per
descrivere modi di compressione anisotropa che danno luogo a risonanze di tipo elettrico.
Intendiamo studiare anche la sua relazione con altri modi di natura toroidale agenti nello
stesso canale elettrico.
a) We have continued our study of nuclear structure properties within the framework of the shell model making
use of realistic effective interactions derived from the free nucleon-nucleon (NN) potential. Based on the
results of an extensive study of nuclei in the regions of 100Sn, 132Sn, and 208Pb, we have come to the
conclusion that this kind of calculations is able to reproduce the properties of complex nuclei in a
quantitative manner. In fact, we have obtained good agreement with the available experimental data for all
the considered nuclei.
b) The p-shell nuclei have been studied using a two-frequency shell-model approach with a G-matrix effective
interaction derived from the Bonn-A nucleon-nucleon potential. Shell-model wave functions of two different
92
c)
d)
e)
f)
oscillator frequencies have been employed, one for the inner (0s) and the other for the outer valence orbits,
respectively. Comparison shows that this model yields results that are in very satisfactory agreement with the
available experimental data, and in some cases even better than those obtained from large-basis shell-model
calculations.
We have developed a method which allows to generate an orthogonal, therefore not redundant, correlated
basis through partitioning the shell model space into orthogonal subspaces. We tested the method and its
great efficiency in localizing the wave function in the Fock space in nuclei with one closed shell as well as in
nuclei with valence protons and neutrons outside a doubly closed shell.
We have shown through a microscopic multiphonon calculation that the scissors mode, predicted for
deformed nuclei only, can exist also in spherical nuclei as long as the mode is built on collective quadrupole
excited states. This excitation mechanism yields actually a multiplet of scissors states which correspond
exactly to the experimental levels discovered recently and interpreted as proton-neutron mixed symmetry
states in the language of the interacting boson model (IBM).
We have also studied within a microscopic approach the spin transitions in heavy deformed nuclei and
contributed to clarify some subtle and puzzling features of the experimental spectra measured a decade ago.
We have studied in a microscopic approach the magnetic quadrupole response in heavy nuclei and proved
the orbital nature (twist mode) of the recently discovered magnetic quadrupole excitations. We have also
shown that, in deformed nuclei, this orbital mode splits into three branches in analogy to the electric dipole
giant resonance.
2002 Program
a) In the realistic shell-model calculations performed thus we have focused attention on single closed-shell
nuclei. A natural extension is to perform calculations of this kind for nuclei with both valence neutrons and
protons. In particular, we will carry out detailed studies of several nuclei far from the valley of stability
around doubly magic 100Sn and 132Sn.
b) We have started a line of research concerning a new method for deriving the shell-model effective
interaction from the bare NN potential. In this approach, a low-momentum NN potential is derived by means
of an appropriate "cutoff" in the momentum space. This potential is suitable to be used directly in shellmodel calculations. This is a desirable feature which avoids going through the usual Brueckner G-matrix
approach.
c) We plan to perform nuclear structure studies making use of a new NN potential based upon chiral effective
field theory.
d) We have developed an iterative algorithm which turns the diagonalization of a large matrix into a sequence
of successive diagonalizations of small matrices. We have proved the convergence of the iterative procedure
and are testing its efficiency with respect to other methods currently in use (Lanczos, Davidson,…).
e) We plan to adopt a microscopic multiphonon approach to make a systematic of low-lying spectroscopy in
medium-heavy deformed nuclei. Our attention will be focused specially on the recently discovered isovector
states coupled strongly to the isoscalar ones through magnetic dipole orbital (scissors-like) transitions .
f) We will adopt a strength function method framed in RPA to study the anisotropic compressional mode,
known as squeezed mode and analyze its relation to the toroidal mode, characterized by vortex-like flow
which acts in the same channel of the squeezed mode.
93
Pubblicazioni 2001
1) L. Coraggio, A. Covello, A. Gargano, N. Itaco, and T.T.S. Kuo, Two-frequency shell-model calculations for
p-shell nuclei, J. Phys. G 27 (2001) 2351.
2) A. Covello, L. Coraggio , A. Gargano, and N. Itaco, Present status of realistic shell-model calculations,
Acta Phys. Pol. B32 (2001) 871.
3) N. Itaco , A. Covello, and A. Gargano, Effects of neutron-proton interaction in doubly odd deformed nuclei,
Acta Phys. Pol. B32 (2001) 2497.
4) F. Andreozzi and A. Porrino, A redundancy-free approach to the use of correlated bases in the truncation of
large shell-model eigenproblems, J. Phys. G 27 (2001) 845.
5) N. Lo Iudice, A.V. Sushkov and N. Yu. Shirikova, M1 spin excitations in deformed nuclei within a
microscopic multiphonon approach,, Phys. Rev. C 64 (2001) 054301.
6) J. Kvasil, N. Lo Iudice, V.O. Nesterenko, A. Mackova, and P. Alexa, Orbital and spin magnetic quadrupole
response in heavy nuclei, Phys. Rev. C 63 (2001) 054305.
7) N. Itaco, L. Coraggio, A. Covello, and A. Gargano, Particle-rotor description of doubly odd Ta isotopes, in
Theoretical Nuclear Physics in Italy, Cortona Ott. 2000, Eds. G. Pisent et al. World Scientific, Singapore
2001, p. 223.
8) A. Gargano, L. Coraggio, A. Covello, N. Itaco, and T.T.S. Kuo, p-shell nuclei and two-frequency shell
model with a realistic effective interaction, in Theoretical Nuclear Physics in Italy, Cortona Ott. 2000 Eds.
G. Pisent et al. World Scientific, Singapore 2001, p. 205.
9) Ch. Stoyanov, N. Lo Iudice, N. Tsoneva, M. Grinberg, Properties of the low-lying excited states in eveneven nuclei around the closed shell N=82, Yad. Fiz. 64 (2001) 71.
10) N. Lo Iudice, Interplay between orbital and spin excitations in heavy nuclei, Yad. Fiz. 64 (2001) 1108.
11) J. Kvasil, N. Lo Iudice, V.O. Nesterenko, A. Mackova, Coupling of
interactions, Yad. Fiz. 64 (2001) 1105.
giant resonances via residual
12) N. Lo Iudice, "Electric and magnetic properties of newly discovered excitations in medium-heavy nuclei"
XIV International School on Nuclear Physics, Neutron Physics and Nuclear Energy, September 25 September 30, 2001 Varna, Bulgaria
13) N. Lo Iudice et al., "Orbital and Spin excitation Modes in Heavy Nuclei" 7thInternational Spring Seminar on
Nuclear Physics, Maiori, Italy 27-31 May 2001
14) A. Covello et al., "Nucleon-nucleon interaction and shell model", 7th International Spring Seminar on
Nuclear Physics, Maiori, May 27-31, 2001.
15) A. Covello et al., "Modern shell-model calculations", Intern. Workshop on Nuclear Many-Body Problem
and Sub-Nucleonic Degrees of Freedom in Nuclei, Changchun, July 2-8, 2001.
16) A. Covello, "Progressi nella comprensione della struttura nucleare", Relazione su invito al LXXXVII
Congresso della SIF, Milano, 24-29 settembre 2001.
17) A. Covello, "Modelli nucleari", relazione su invito alle celebrazioni del cinquantenario dell'INFN, Frascati,
13-14 novembre 2001.
18) A. Covello, "Shell-model calculations for nuclei near doubly magic 208Pb",Workshop on Shape Mixing
and Modifications in the Nuclear Mean Field with Applications to the Pb region, Gand, December 10-11,
2001
94
FISICA NUCLEARE SPERIMENTALE
EVAPORAZIONE E FISSIONE DI NUCLEI COMPOSTI ALTAMENTE ECCITATI
A. Brondi, M. Di Meo*, G. La Rana, R. Moro, A. Ordine*, E. Vardaci
Attività 2001
L’attività del gruppo nel 2001 si è articolata su diversi esperimenti di Fisica nucleare che
hanno comportato misure presso laboratori di Fisica Nucleare nazionali ed internazionali:
Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL), il Laboratorio IReS di Strasburgo ed il laboratorio
del Ciclotrone Superconduttore della Texas University (USA).
I temi di ricerca affrontati nel 2001 hanno riguardato:
a. La dinamica del processo di fissione
b. Il processo di break-up
c. La iperdeformazione nei nuclei
d. L’effetto della temperatura sulle proprietà dei nuclei
1) Dinamica del processo di fissione
Tale studio è stato condotto rivelando le particelle cariche emesse dai nuclei in via di fissione
insieme ai frammenti di fissione con l’apparato 8πLP presso i LNL ( http://www.lnl.infn.it ).
Nel 2001 si è effettuata una misura con la reazione 32S + 100Mo a 200 MeV ed è stata
completata l’analisi dei dati relativi alle reazioni 28Si + 232Th a 340 MeV e 32S + 100Mo a 240
MeV.
Un risultato interessante ha riguardato lo studio del decadimento dei nuclei di elevata fissilità
prodotti nella reazione 28Si + 232Th tramite reazioni di trasferimento dal proiettile al bersaglio.
Si è infatti messo in luce la formazione di nuclei residui prodotti dalla fusione parziale del
proiettile e del bersaglio mentre il modello statistico prevede solo processi di fusione-fissione.
Tale risultato dà indicazioni per la ricerca dei nuclei superpesanti.
Altro risultato interessante ha riguardato lo studio della dinamica della fissione del nucleo
composto prodotto nella reazione 32S + 100Mo a 240 MeV. Dalla misura di molteplicità delle
particelle alfa emesse prima della scissione si può stimare il tempo necessario al nucleo per
scindersi e le sistematiche in questa regione di massa dimostrano la incapacità del modello
statistico a riprodurre i dati senza introdurre nella simulazione un tempo di fissione. Per la
reazione in studio viceversa il modello statistico è stato in grado di riprodurre la molteplicità
misurata. Una possibile interpretazione è la presenza del processo di fissione veloce,
sperimentalmente indistinguibile dalla fissione, che contribuisce a ridurre la molteplicità delle
particelle di prescissione. La misura a 200 MeV della stessa reazione permetterà di verificare
questa ipotesi poiché a tale energia la sezione d’urto del processo di fissione veloce è prevista
essere molto più piccola.
2) Processo di break-up
Sono state misurate alte sezioni d’urto di produzione di particelle alfa nelle reazioni
6,7
Li+208Pb a diverse energie incidenti intorno alla barriera coulombiana utilizzando
l’apparato 8πLP. L’interpretazione di questi dati è che il processo di breakup predomina a
causa della piccola energia di legame dei proiettili anche se i calcoli di modello riproducono
le distribuzioni angolari delle particelle alfa ma ne sottostimano di un fattore 3 le sezioni
d’urto.
3) La iperdeformazione nei nuclei
95
Questa problematica costituisce uno dei temi di ricerca più attuali della fisica nucleare. Uno
studio preparatorio per individuare la scelta del migliore sistema e della situazione
sperimentale più appropriata per la ricerca della iperdeformazione è stata condotta dal gruppo
di Napoli, nell’ambito di una collaborazione internazionale, presso il laboratorio IReS di
Strasburgo ( http://wwwires.in2p3.fr ). Si è utilizzato il rivelatore DIAMANTE, le cui
prestazioni sono state implementate per quel che riguarda l’elettronica ed il numero di
rivelatori (82), insieme ad EUROBALL. Sono stati raccolti dati per i due sistemi 48,50Ti+123Sb
a differenti energie incidenti intorno a 210 MeV. Un’analisi preliminare dei dati ha
evidenziato l’efficacia del rivelatore di particelle nel selezionare i nuclei sui quali può essere
ricercata l’iperdeformazione.
4) Effetto della temperatura sulle proprietà dei nuclei
In recenti lavori è stata calcolata la dipendenza della massa effettiva del nucleone dalla
temperatura del nucleo. Tali calcoli indicano un’ apprezzabile riduzione della massa al
crescere della temperatura, cosa che potrebbe produrre effetti misurabili sul decadimento del
nucleo. In particolare la dipendenza dalla temperatura del termine di energia di simmetria
determinerebbe degli effetti sulla molteplicità media delle particelle evaporate.
Per verificare queste previsioni si è effettuato un esperimento al Ciclotrone Superconduttore
della Texas University (http://www.physics.tamu.edu/research/list.html/nuclear) con
l’obiettivo di studiare il decadimento del nucleo composto prodotto con la reazione 11C + 87
Rb a diverse energie dal fascio. Il fascio radioattivo di 11C è stato prodotto tramite reazioni di
trasferimento selezionando i prodotti con lo spettrometro MARS. L’analisi verterà sul
confronto tra le molteplicità delle particelle cariche misurate e le previsioni del modello
statistico.
Programma 2002
Lo studio della fissione in sistemi di media fissilità proseguirà implementando l’apparato
sperimentale di rivelatori per la misura della distribuzione in massa dei frammenti. Per lo
studio della dipendenza delle proprietà del nucleo dalla temperatura è prevista la misura della
reazione 11B + 87 Rb presso i Laboratori Nazionali di Legnaro. Tale reazione produce un
nucleo composto di egual massa ed energia di eccitazione di quello prodotto con la reazione
11
C + 87 Rb ma con una diversa energia di simmetria. E’ inoltre previsto lo sviluppo di
rivelatori per la identificazione e selezione dei fasci esotici prodotti con reazioni di
frammentazione al Ciclotrone del TAMU. Per quanto riguarda l’iperdeformazione, sulla base
delle nostre misure e quelle di altri gruppi, si sta programmando un esperimento, da
effettuarsi nelle migliori condizioni sperimentali presso il VIVITRON dell’IReS di
Strasburgo, prima che l’apparato EUROBALL sia smontato. Infine verranno condotti degli
esperimenti presso il laboratorio di GANIL (http://www.ganil.fr) per lo studio dei nuclei
lontani dalla valle di stabilità.
During the 2001 different experiments were carried out in national and international Laboratories: Laboratori
Nazionali di Legnaro (LNL), IReS Laboratory at Strasburgo and the Superconducting Cyclotron Laboratory of
the Texas University (USA).
The main research topics were:
1) the fission dynamics
2) the break-up process
3) the hyper-deformation in nuclei
4) temperature effect on the level density and symmetry energy
96
1) Fission dynamics
Light charged particles have been measured in coincidence with fission fragments with 8πLP apparatus at the
LNL for the system 32S + 100Mo a 200 MeV. Data analysis for the systems 28Si + 232Th a 340 MeV e 32S + 100Mo a
240 MeV have been completed.
In the reaction 28Si + 232Th a 340 MeV it has been observed the decay of the nuclei produced by massive transfer
from the projectile to the target, not expected on the basis of the statistical model predictions. This information
is very useful in the search for super-heavy nuclei.
Regarding the study of the fission dynamics, multiplicity of α particles were fitted by the statistical model
without introducing a time delay. This result disagrees with what known in this mass region. A possible
explanation for this behaviour is the presence of the fast fission process, which cannot be distinguished from the
fission. The measurement of the same reaction at 200 MeV can elucidate this point as we expect fast fission to be
much lower.
2) Break-up process
Alpha particle production cross sections in the reactions 6,7Li+208Pb at different beam energies close to the
Coulomb barrier were measured using the 8πLP apparatus at LNL. The break-up process dominates because of
the small binding energy of the projectiles and, while alpha particle angular distributions are well reproduced
by the model calculations, cross sections are under-estimated by a factor 3.
3) Hyper-deformation in nuclei
The search of hyper-deformation in nuclei is a topic of great interest now days. An experiment aimed to find the
best nucleus and best experimental conditions for this search has been carried out at the VIVITRON in
Strasbourg. The reactions 48,50Ti+123Sb, at different energies around 210 MeV, have been studied using an
implemented version of the DIAMANT light particle detector combined with the EUROBALL gamma detector.
4) Temperature effect on the nuclear properties
There are indications of a temperature dependence of the effective mass of nucleons which would induce
measurable effects in the particle decay of nuclei, in particular on the average multiplicity of the evaporated
particles. On these grounds, we have carried out an experiment on the reaction 11C + 87 Rb. The radioactive
beam has been produced by transfer reactions and selected with the spectrometer MARS at the Texas University.
2002 Program
The study of fission dynamics in medium fissility systems will proceed with the implementation of the
experimental apparatus providing the measure of the mass of the fragments. Along the line of studying the
temperature dependence of the nuclear properties the reaction 11B + 87 Rb will be measured at LNL. In this case
we will reach the same compound system at the same excitation energy as in the reaction 11C + 87 Rb but with a
different contribution of the symmetry term. In addition, we will develop a detector to identify and select exotic
beams produced by multifragmentation, to be installed at the Texas University for further measurements. As
regard the hyper-deformation, on the base of our and other’s measurements an experiment is being planned to
be performed on the most suitable system and in the best experimental conditions for the last search for hyperdeformation before the EUROBALL detector will be dismounted. Furthermore, experiments at GANIL will be
performed to study nuclei far from the stability valley.
Pubblicazioni 2001
1) G. Viesti, V. Rizzi, D. Fabris, M. Lunardon, G. Nebbia, M. Cinausero, A.Brondi, G.La Rana, R.Moro,
E.Vardaci, et al. “Exploring the emission barriers in hot nuclei”. Phys.Lett. B 521 (2001)165-170
2) C.Signorini. G.F.Prete, A.Brondi, J.Y.Guo, G.La Rana, R.Moro, G.Nebbia, M.Trotta, E.Vardaci, G.Viesti,
et al. “Strong reaction channels at barrier energies in the system 6Li + 208Pb”. Eur. Phys. J. A10 (2001)
249-253
3) A. Saxena, D. Fabris, A.M. Samant, G. Viesti, A. Brondi, G. La Rana, R. Moro, E. Vardaci, A. Boiano, A.
Ordine, et al.” Study of transfer induced fission and fusion-fission reactions for 28Si + 232Th system at 340
MeV” Int. Conf. Nuclear Physics at Border Lines May 21 - 24, 2001, Lipari (ME), ITALY
4) R.Moro, A.Brondi, G.La Rana, E.Vardaci, A.Ordine, A.Scherillo, D.Fabris, M. Lunardon, G.Nebbia,
G.Viesti, et al. “Fission dynamics: preliminary results on the reaction 32S + 100Mo”. Int. Workshop on
Nuclear Many-Body Problem and Sub-Nucleonic Degrees of Freedom in Nuclei. Jilin Univ. Changchun
(Cina) July 2-8,2001.
97
5) E. Fioretto, A.Brondi, D. Fabris, G.La Rana, M. Lunardon, R.Moro, G. Nebbia, E.Vardaci, et al. “Nuclear
reaction below 20 AMeV studied with the LNL 8πLP spectrometer“. 4th Italy-Japan Symposium on Heavy
Ion Physics September 26 - 29, 2001, RIKEN Wako Campus, JAPAN
6) G. La Rana, A. Brondi, R. Moro, E. Vardaci, M. Aiche, M.M. Aléonard, G. Barreau, D. Boivin, F.
Bourgine, J.F. Chemin, et al. “Insights on the population of the superdeformed bands using the EUROGAM
II-DIAMANT apparatus”. 4th Italy-Japan Symposium on Heavy Ion Physics September 26 - 29, 2001,
RIKEN Wako Campus, JAPAN
REAZIONI NUCLEARI INDOTTE DA IONI PESANTI
A. Boiano*, A. De Rosa, M. Di Pietro*, G. Inglima, M. La Commara, D. Pierroutsakou*,
M. Romoli*, M. Sandoli
Attività 2001
E’ stata completata l’analisi dei dati relativi alle reazioni 32S+100Mo e 36S + 96Mo ad energie
incidenti rispettivamente di 298 MeV e 320 MeV. Entrambe queste reazioni portano alla
produzione del nucleo composto 132Ce alla stessa energia di eccitazione. Per studiare l’effetto
dell’asimmetria di carica nel canale d’ingresso sull’emissione gamma, lo spettro dei fotoni
emessi è stato misurato in coincidenza sia con residui di fusione che con frammenti prodotti
in reazioni periferiche. L’analisi ha evidenziato l’emissione di raggi gamma dipolari di preequilibrio per la reazione più asimmetrica in N/Z. E’ stato determinato un aumento
dell’intensità dei raggi gamma dipolari nello spettro linearizzato per la reazione più
asimmetrica in N/Z rispetto alla reazione quasi-simmetrica uguale al 21%. Inoltre, lo studio
simultaneo della differenza tra gli spettri gamma delle due reazioni e delle rispettive
correlazioni angolari gamma-residuo di evaporazione hanno dato informazioni sulla
frammentazione della strength dipolare di pre-equilibrio e sulla deformazione del nucleo
emettitore durante i primissimi momenti della sua formazione. L’analisi descritta è stata
anche oggetto di una tesi di laurea.
Nel novembre 2001 è stato effettuato un nuovo esperimento presso i Laboratori Nazionali di
Legnaro (http://www.lnl.infn.it ). Le reazioni 32S+100Mo e 36S + 96Mo ad energie incidenti
rispettivamente di 196 MeV e 214 MeV sono state effettuate con lo scopo di studiare
l’emissione gamma di pre-equilibrio in funzione dell’energia incidente, tenendo costanti tutti
gli altri parametri della reazione. Tale studio permetterà l’investigazione della dipendenza
della “spreading width” della GDR dall’energia di eccitazione, argomento molto discusso a
livello teorico.
Programma 2002
Saranno effettuati, ai Laboratori Nazionali del Sud ( http://www.lns.infn.it ), esperimenti ad
energie superiori di quelle ottenute ai LNL per lo studio dell’emissione gamma di preequilibrio in funzione dell’energia incidente ed in particolare per studiare l’evoluzione della
“spreading width” della GDR con l’energia di eccitazione del nucleo emettitore.
98
In the framework of the study of the entrance channel N/Z effect on the dipole gamma ray emission pursued in
the SERPE experiment, the analysis of the 32S+100Mo and 36S + 96Mo fusion reactions performed at Elab=298
MeV and 320 MeV respectively was completed. The data analysis shows the existence of pre-equilibrium dipole
gamma ray emission in the more N/Z asymmetric reaction and determines the increase of the gamma ray
intensity in the linearised spectra GDR region to be equal to 21%. The simultaneous study of the difference
between the gamma ray spectra associated with the above reactions and the gamma ray-fusion residue angular
correlations determines the pre-equilibrium GDR parameters and the nuclear deformation during the first
stages of the dinucleus formation. The gamma ray intensity increase for the more N/Z asymmetric reaction
presents a dependence on the incident energy, if compared with existing results for other systems and incident
energies. Then, in 2001 we performed the 32S+100Mo and 36S + 96Mo reactions at Elab=196 MeV and 214 MeV,
respectively, in order to study the pre-equilibrium dipole gamma ray emission as a function of the incident
energy. Such a study will shed light on the evolution of the GDR spreading width with the nuclear temperature.
The analysis of the data is in progress.
2002 Program
The systematic study of the pre-equilibrium GDR will be continued by extending the measurements at higher
incident energies in order to study the GDR spreading width evolution with the nuclear excitation energy. This
kind of study is of great interest in view of the extension to exotic beams where the difference between the
colliding ion N/Z ratio can be much larger than that obtained with stable beams.
Pubblicazioni 2001
1) D. Pierroutsakou, A. Boiano, A. De Rosa, M. Di Pietro, G. Inglima, M. La Commara, A.Ordine, V. Roca,
M. Romoli, M. Sandoli, et al. ."Recent results on Preequilibrium GDR in Heavy-ion Collisions" Nucl.Phys.
A687 (2001) 245c
2) A.M. Stefanini, M. Trotta, F. Scarlassara, G.F. Segato, A. De Rosa, G. Inglima, D. Pierroutsakou, M.
Romoli, M. Sandoli, G. Pollarolo, et al. "The heavy-ion Magnetic Spectrometer PRISMA", Nucl. Phys. A701
(2002) 217c
3) A. Lagoyannis, M. La Commara, D. Pierroutsakou, M. Romoli, P. Roussel-Chomaz, M. Sandoli, D.
Santonocito, J. A. Scarpaci, J.L. Sida, T. Suomijarvi et al. “Probing the 6He halo structure with elastic and
inelastic proton scattering”, Physics Letters B 518 (2001) 27
4) R. Borcea, M. La Commara, K. Langanke, G. Martínez-Pinedo, P. Mayet, A. Nieminen, F. Nowacki, H.
Penttilä, A. Pochocki, M. Rejmund, et al. ”Beta decay of 56Cu” Nucl. Phys. A695(2001)69
5) K. Peräjärvi, P. Dendooven, M. Górska, J. Huikari, A. Jokinen, V.S. Kolhinen, M.La Commara, G.
Lhersonneau, A. Nieminen, S. Nummela, et al.“The 1+ 0+ Gamow-Teller strength of the 58Cug.s. 58Nig.s.
transition” Nucl. Phys. A696(2001)233
6) A.M. Stefanini, M. Trotta, F. Scarlassara, G.F. Segato, A. De Rosa, G. Inglima, D. Pierroutsakou, M.
Romoli, M. Sandoli, G. Pollarolo, et al. "The heavy-ion Magnetic Spectrometer PRISMA” Exotic Nuclei and
Atomic Masses, Hameenlinna, Finlandia,3-8 luglio 2001.
7) A. Lagoyannis, M. La Commara, D. Pierroutsakou, M. Romoli, P. Roussel-Chomaz, M. Sandoli, D.
Santonocito, J. A. Scarpaci, J.L. Sida, T. Suomijarvi et al. “Inelastic excitations in 6He” Proc.of the 7th
International Spring Seminar on Nuclear Physics, Maiori (Italy) 27-31 May 2001
99
COLLISIONI NUCLEO-NUCLEO
N. De Cesare, E. Rosato, M. Vigilante
Attività 2001
Si è svolta a GANIL la V campagna di misure con il multirivelatore INDRA. Un primo
esperimento, 124/136Xe + 112/124Sn ad Einc = 32-45 A.MeV, intende studiare la dipendenza della
densità dall'isospin e verificare se, nella fase gassosa, la materia nucleare diventi più ricca in
neutroni, come previsto da modelli ed osservato per gli isotopi leggeri emessi a velocità intermedia. Misure ad elevata statistica sono state effettuate su 129Xe + natSn/197Au, con passo fine
tra 15 e 35 A.MeV, per confermare e meglio specificare precedenti risultati sulle fluttuazioni
universali. Infine le misure a più bassa energia, Xe + Sn ad Einc = 8 ÷ 20 A.MeV, sono rivolte
allo studio dei residui di fusione ed all'evoluzione della multiframmentazione con l'energia di
bombardamento.
Sono state effettuate, nell’ambito del gruppo di studio per la costruzione del rivelatore AZ-4π,
misure di R&D agli acceleratori di Catania ( http://www.lns.infn.it ), Orsay (
http://ipnweb.in2p3.fr ) e Caen (http://www.ganil.fr ) sull’analisi in forma dei segnali emessi
da rivelatori CsI(Tl) e Si in vista di un loro impiego per l’identificazione isotopica.
E’ continuata l’analisi sui dati di INDRA, con particolare riguardo alla transizione di fase
liquido-gas nella materia nucleare ed alle caratteristiche (termo)dinamiche della
multiframmentazione. La natura dell’interazione nucleare porta ad un’equazione di stato
analoga a quella di van der Waals per i fluidi reali ed inoltre recenti sviluppi della meccanica
statistica permettono, a partire dalla definizione dell’entropia secondo Boltzmann, di definire
le transizioni di fase anche per piccoli sistemi. In un sistema microcanonico all’equilibrio, in
corrispondenza di una transizione di fase, s’innescano fluttuazioni eccezionalmente ampie
dell’energia cinetica dei frammenti che si traducono in una capacità termica negativa. Questo
segnale è stato osservato per eventi di quasi-fusione prodotti negli urti centrali di Xe + Sn, ad
Einc = 32 e 39 A.MeV di energia incidente e a E* ~ 6-7 A.MeV di energia d’eccita-zione, in
corrispondenza dell’ingresso nella fase puramente gassosa dalla zona di coesistenza liquidogas. L'analoga divergenza, associata al passaggio dalla fase liquida a quella di coesistenza, dovrebbe trovarsi ad E* ~ 3 A.MeV e non è stata vista a causa delle soglie di rivelazione.
Risultati analoghi si ottengono per la stessa classe di eventi centrali di quasi-fusione nel caso
di 58Ni + 197Au ad Einc = 32 ÷ 90 A.MeV. Una capacità termica negativa è stata pure osservata
per il quasi-proiettile prodotto negli urti periferici delle collisioni 181Ta + 197Au a Einc = 33 ÷
39 A.MeV.
Questa stessa classe di eventi mostra anche un aumento nella resa di frammenti uguali. Dalle
correlazioni del second’ordine fra Zav e ∆Z, valor medio dei frammenti prodotti in ogni evento
e il suo scarto quadratico medio, rispettivamente, emerge un picco statisticamente
significativo intorno a Z ~ 13 e ∆Z = 0, riproducibile solo con un modello dinamico il quale
assume che la multiframmentazione è innescata dalle instabilità spinodali. Ciò può essere
considerato come un’impronta fossile della decomposizione spinodale per questi sistemi a
queste energie.
Per questi stessi eventi la distribuzione di molteplicità mostra un cambiamento di curvatura
centrato intorno a Zav ~ 13. Scegliendo come parametro d'ordine la differenza di densità fra
liquido e gas e assumendo che Z = 13 sia il confine fra le due fasi, si osserva una distribuzione di densità a due picchi: nel caso di Xe + Sn a Einc = 32 A.MeV predomina la fase
liquida, a Einc = 39 A.MeV i due contributi si equivalgono, mentre per Einc 45 A.MeV il
rapporto s'inverte. Risultati analoghi si ottengono nel caso di 58Ni + 197Au se si utilizza il
100
numero atomico dei tre frammenti maggiori per selezionare gli eventi: a Einc = 32 A.MeV ci
sono due picchi equivalenti, a Einc = 52 A.MeV predomina la componente a bassa densità e a
Einc = 90 A.MeV è presente solo la fase gassosa, in perfetto accordo con i risultati della
vaporizzazione osservati nel caso di 36Ar + 58Ni alle stesse energie.
Questi segnali dipendono da modelli, ipotizzano l’equilibrio termodinamico e sono una
condizione necessaria ma non sufficiente per il manifestarsi di una transizione di fase;
tuttavia ognuno rappresenta un piccolo mattone di un edificio solido. Un posto particolare,
invece, è occupato dalle leggi universali di scala ottenute direttamente dai dati sperimentali
senza imporre l'equilibrio. Considerando le fluttuazioni di <Zmax>, valor medio del numero
atomico del frammento maggiore prodotto in ogni evento, nel caso di urti centrali con una
sola sorgente, per 129Xe + natSn intorno a Einc=39 A.MeV si osserva l’evoluzione da una fase
ordinata con piccole fluttuazioni (materia nucleare liquida ?) ad una disordinata caratterizzata
da fluttuazioni elevate (fase gassosa?). La stessa analisi è stata estesa ad altri sistemi per studiare la dipendenza dalla massa del sistema, dall'asimmetria del canale d’ingresso e dal
parametro d'urto. I sistemi simmetrici 197Au + 197Au e 58Ni + 58Ni seguono lo stesso
andamento di 129Xe + natSn; i sistemi leggeri, 36Ar + 58Ni e 36Ar + KCl richiedono ulteriori
approfondimenti.
Programma 2002
Il programma prevede:
1) calibrazione ed analisi dei dati raccolti dalle collaborazioni INDRA e REVERSE;
2) studio e prove su rivelatori e moduli elettronici nell’ambito del gruppo Az-4π agli
acceleratori di Napoli, LNS (Catania), Orsay e GANIL (Caen);
3) montaggio e prove del multirivelatore 4π CHIMERA nella sua configurazione completa
(1192 telescopi Si-CsI(Tl) che coprono un angolo solido ∆Ω/4π = 0.94 fra θ = 1° e θ =
176°).
124/136
112/124
Measurements of the 5th INDRA campaign were carried out at GANIL. The first experiment,
Xe +
Sn
at Einc = 32-45 A.MeV, was aimed at investigating the isospin dependence of nuclear density and the isospin
fractionation, i.e. ascertaining if the gas phase is neutron rich as it has been predicted by recent models and
129
nat
197
observed for mid-rapidity light isotopes. High statistics measurements, Xe + Sn/ Au from 15 to 35 A.MeV
bombarding energy in small steps, were performed in order to complete and confirm previous results on
universal fluctuations. Finally the lowest energy experiments, Xe + Sn at Einc = 8 ÷ 20 A.MeV, were intended to
study the evolution of fusion residues and the onset of multifragmentation.
R&D were also carried out at the Catania, Orsay and Caen accelerators within the AZ-4π group. The objective
is to digitise and study the pulse shape of signals, delivered by silicon and CsI(Tl) detectors, for isotopic
identification.
Meanwhile calibration procedures have been pursued for the measurements of the REVERSE collaboration. At
the same time the analysis has been continued for previous and more recent INDRA data with an emphasis on
the liquid-gas phase transition in nuclear matter and the (thermo)dynamics of multifragmentation. In fact
nuclear forces have long-range attractive and short-range repulsive components as macroscopic fluids obeying
van der Waals equation that commonly undergo phase transitions. Recent results of statistical mechanics, based
on Boltzmann’s definition of entropy, allow foreseeing phase transitions also in systems as small as nuclei,
whose dimensions can be compared to the range of the binding forces. When an equilibrated microcanonical
nuclear system enters the coexistence region, the kinetic part of the energy develops abnormally large
fluctuations and the heat capacity becomes negative. This signal has been experimentally seen in the quasifusion events following central collisions of Xe on Sn at Einc = 32 and 39 A.MeV at an excitation energy E* ~ 6-7
A.MeV. That corresponds to the transition from the coexistence zone to the gas phase. The negative branch
associated with the changing from the liquid to coexistence region should occur at E* ~ 3 A.MeV and has not
101
been observed due to detection thresholds. Analogous results have been obtained for the same class of events in
the case of 58Ni + 197Au at Einc = 32 ÷ 90 A.MeV. Negative heat capacity has also been measured for projectilelike fragments produced in peripheral 181Ta + 197Au collisions at Einc = 33 ÷ 39 A.MeV.
The same 58Ni + 197Au and Xe + Sn events exhibit also an enhanced yield of equal-sized fragments. From the
2nd-order correlation between the average atomic number of fragments produced in each event, Zav, and its
standard deviation, ∆Z, a robust and statistically significant peak develops around Z ~ 13 and ∆Z = 0. Solely a
dynamical model, that assumes that multifragmentation is due to spinodal instabilities, could explain this effect.
This result could be considered as a fossil fingerprint of the spinodal decomposition suffered by a heavy piece of
nuclear matter at this excitation energy.
Further a slope bending around Z ~ 13 is observed in the multiplicity distribution versus Z; the nuclear density
has a bimodal distribution assuming Z = 13 as borderline between liquid and gas. In the case of Xe + Sn the
liquid peak dominates at Einc = 32 A.MeV, becomes roughly equal to the gas one at Einc = 39 A.MeV while the
latter is dominant from 45 A.MeV. Similar results are obtained for 58Ni + 197Au by using the three largest
fragments for sorting events. Two nearly equal peaks appear at 32 A.MeV and a gas peak with a small shoulder
is visible at 52 A.MeV, instead the distribution exhibits a pure gas picture at 90 A.MeV in perfect agreement with
the vaporisation scenario observed for 36Ar + 58Ni at the same energy.
All these signals are model dependent, rely on equilibrium hypotheses and are a necessary but not sufficient
condition for the occurrence of phase transition in nuclear matter; nevertheless each of them brings a small
stone to construct a solid building.
The universal ∆ scaling laws play a special role as they are directly derived from experimental data without any
equilibrium assumption. The fluctuations of <Zmax>, average atomic number of the biggest fragment in each
event of the same sample as before, extended down to 25 A.MeV and up to 150 A.MeV, exhibit a change around
39 A.MeV. This has been interpreted as a transition from an ordered phase (liquid with evaporation?) to a
disordered one (gas phase?) passing through a coexistence region (production of fragments). The same method
has been applied to other systems to investigate the dependence on system mass, asymmetry of the entrance
channel and impact parameter. Symmetrical systems as 197Au + 197Au and 58Ni + 58Ni at Einc = 40 ÷ 150 A.MeV
and Einc = 32 ÷ 90 A.MeV, respectively, follow the same behaviour as Xe + Sn; instead the lighter systems 36Ar
+ 58Ni and 36Ar + KCl deserve further investigations.
2002 Program
The activity will continue according to the schedule:
- reduction and analysis of data collected by INDRA and REVERSE collaborations;
- study and tests on prototype detectors and electronics for the AZ-4π group at Laboratorio dell’Acceleratore
(Naples), LNS (Catania), Orsay tandem and GANIL (Caen)
- full assembly and tests of the 4π CHIMERA multidetector (1192 Si-CsI(Tl) telescopes, ∆Ω/4π = 0.94 solid
angle coverage, θ = 1° ÷ 176°) ;
Pubblicazioni 2001
1) A.Pagano, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the REVERSE collaboration: “Physics with the CHIMERA detector at LNS in Catania: the REVERSE experiment”, Nucl. Phys. A681(2001)331-338
2) J.C.Steckmeyer, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: “Excitation energy and
angular momentum of quasiprojectiles in the Xe + Sn collisions at incident energies between 25 and 50
MeV/nucleon”, Nucl. Phys. A686(2001)537-567
3) D.Doré, E.Rosato and the INDRA collaboration: “Properties of light particles produced in Ar + Ni
collisions at 95 A.MeV: evaporation versus prompt emission”, Phys. Rev. C63(2001)034612/1-10
4) B.Borderie, E.Rosato and the INDRA collaboration: “Evidence for spinodal decomposition in nuclear
multifragmentation”, Phys. Rev. Lett. 86(2001)3252-3255
5) J.D.Frankland, E.Rosato and the INDRA collaboration: “Multifragmentation of a very heavy nuclear
system(I): selection of single-source events”, Nucl. Phys. A689(2001)905-939
6) J.D.Frankland, E.Rosato and the INDRA collaboration: “Multifragmentation of a very heavy nuclear
system(II): bulk properties and spinodal decomposition”, Nucl. Phys. A689(2001)940-964
7) N.Le Neindre, E.Rosato and the INDRA collaboration: “Phase transition in Xe + Sn central events between
32 and 50 AMeV”, Nucleus-Nucleus Collisions (Volume 1) Proc. Conf. “Bologna 2000: Structure of the Nucleus
102
at the Dawn of the Century”, Bologna, Italy, May 29-june 3, 2000, eds. G.C.Bonsignori, M.Bruno, A.Ventura
and D.Vretenar (World Scientific, Singapore, 2001) p. 221
8) E.Plagnol, E.Rosato and the INDRA collaboration: “The onset of mid-velocity emission in symmetric heavy
ion reactions”, ibidem p. 309
9) P.Pawlowski, E.Rosato and the INDRA collaboration: “Contribution of prompt emissions to the production
of intermediate velocity light particles in the 36Ar + 58Ni reactions at 95 MeV/nucleon”, ibidem p. 313
10) G.Tabacaru, E.Rosato and the INDRA collaboration: “Experimental evidence for spinodal decomposition in
multifragmentation of heavy systems”, ibidem p. 321
11) A.M.Maskay, E.Rosato and the INDRA collaboration: “Ni + Ni collisions at 32 MeV/u: experimental
insight with the INDRA detector”, ibidem p. 363
12) S.Aiello, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the REVERSE collaboration: “REVERSE experiment at
Laboratori Nazionali del Sud”, ibidem p. 379
13) S.Aiello, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the REVERSE collaboration: “REVERSE: the first
experiment with the CHIMERA detector”, ibidem, p. 383
14) O.Lopez, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: “Experimental signatures of
the nuclear liquid-gas phase transition”, XXXIX Int. Winter Meeting on Nucl. Phys., Bormio (Italy), January
22-27, 2001, Ricerca Scient. Educ. Permanente 117 (2001)61, eds. I.Iori and A.Moroni
15) B.Borderie, E.Rosato and the INDRA collaboration: “Liquid gas coexistence region in central Xe + Sn
reactions”, ibidem p.73
16) B.Bouriquet, E.Rosato and the INDRA collaboration: “Experimental signature of non spherical single
sources produced in central Xe + Sn collisions at 32 MeV/nucleon”, ibidem p. 84
17) J.Normand, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: “Statistical and nonstatistical break-up of quasi projectiles in heavy ion collisions”, ibidem p.140
18) K.Türzó, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA@GSI collaboration: “Spectator fragmentation induced by
relativistic 12C projectiles”, ibidem p. 152
19) F.Lavaud, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA@GSI collaboration: “Multifragmentation and radial flow
in Au + Au central collisions between 40 and 100 MeV/A”, ibidem p.160
20) J.Colin, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: “Light charged particles and
fragment production mechanisms in nuclear collisions in the Fermi energy range”, ibidem p.169
21) N.Bellaize, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: “Dynamics of the
fragmentation process in heavy-ion induced reactions around the Fermi energy”, ibidem p.183
22) E.Genouin-Duhamel, E.Rosato and the INDRA collaboration: “Can we really measure the internal energy
of a hot nucleus with a 4π detection array?”, ibidem p.255
23) J.Lukasik, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA@GSI collaboration: “Some gross features of non-central
heavy ion collisions: first results of the INDRA@GSI campaign”, ibidem p. 278
24) S.Pirrone, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the REVERSE collaboration: “Isospin physics with the
REVERSE experiment”, Int. Conf. “Nuclear Physics at Border Lines”, Lipari (Italy), May 21-24. 2001, eds.
G.Fazio, G.Giardina, F.Hanappe, G.Immé and N.Rowley (World Scientific, Singapore, 2001)
25) F.Lavaud, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA@GSI collaboration: “Nuclear fragmentation and the
onset of radial flow: a study of Au + Au collisions between 40 and 100 MeV/A”, Int. Nucl. Phys. Conf. “Nuclear
Physics in the 21st century”, Berkeley (California, USA), July 30 – August 3, 2001,
26) J.Lukasik, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA@GSI collaboration: “Transverse velocity scaling in Au +
Au midrapidity emisssions”, ibidem
27) M.F.Rivet, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: “Dynamics and
thermodynamics of phase transistions in hot nuclei”, IWM2001 - Int. Workshop on Multifragmentation and
related topics, LNS (Catania, Italy), 28 November - 1 December, 2001
28) E.De Filippo, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the REVERSE collaboration: “Global results of the
REVERSE experiment”, ibidem
103
29) A.Buta, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: “Towards an unambiguous
determination of the excitation energy of the projectile in heavy-ion reactions?”, ibidem
30) J.Colin, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: “Fission processes and neck
emissions in heavy ion collisions in the Fermi energy range”, ibidem
31) J.D.Frankland, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: “Universal fluctuations:
a new approach to the study of "phase transitions" in intermediate energy heavy ion collisions”, ibidem
32) E.Galichet, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: “Study of isospin
equilibration using Ni + Ni and Ni + Au peripheral collisions”, ibidem
33) B.Guiot, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: “Signals of spinodal
decomposition in Ni + Au reactions”, ibidem
34) G.Lanzalone, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: “Multifragmentation and
limiting temperature”, ibidem
35) N.Le Neindre, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the REVERSE collaboration: “First results on
isotopic studies in multifragmentation obtained with the CHIMERA 4ð multidetector”, ibidem
36) O.Lopez, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: “Probing the nuclear liquid-gas phase
transition”, ibidem
37) J.Lukasik, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA@GSI collaboration: “Au + Au collisions at 40-150
MeV/nucleon: from peripheral to centra”, ibidem
38) E.Piasecki, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the REVERSE collaboration: “Dynamical fission
observed in 112,124Sn + 58,64Ni REVERSE experiment”, ibidem
39) J.C.Steckmeyer, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: “Study of the dissipative binary
channels in the 107Ag + 58Ni reactions at 52 MeV/nucleon”, ibidem
104
ASTROFISICA NUCLEARE
N.De Cesare, A. D'Onofrio*, A.Formicola*, L. Gialanella, G .Imbriani*, C. Lubritto*, A. Ordine*, V. Roca*, M.
Romano, C. Sabbarese*, F. Terrasi*
Attività 2001
L’attività del gruppo di astrofisica nucleare si è concentrata su due linee di ricerca, che
corrispondono a due diversi approcci allo studio di alcune reazioni nucleari che svolgono un
ruolo chiave nei processi di evoluzione stellare e di nucleosintesi: la prima di esse fa uso di un
separatore di massa (esperimento ERNA), la seconda si avvale della drastica riduzione del
fondo che si ottiene nel laboratorio sotterraneo del Gran Sasso (esperimento LUNA2) (
http://www.lngs.infn.it /site/exppro/luna/luna.html ).
Il programma di ricerca per ERNA (European Recoil separator for Nuclear Astrophysics),
sviluppato in collaborazione con la Ruhr-Universität Bochum (http://www.dtl.ruhr-unibochum.de), prevede lo studio della reazione 12C(α,γ)16O, una reazione chiave
nell’evoluzione stellare e nella nucleosintesi delle stelle massicce, nell’intervallo di energia
Ecm=0.7-5.0 MeV. L’apparato sperimentale, installato presso il Dynamitron Tandem
Laboratorium della Ruhr Universität Bochum, è costituito da un bersaglio gassoso in
combinazione con un separatore di rinculi, che, grazie a una efficace soppressione del fascio
incidente, permette la rivelazione dei nuclei prodotti nel corso della reazione; inoltre, un
sistema di 14 rivelatori al BaF2 permette di misurare la radiazione γ emessa.
Nel 2001 sono stati completati il separatore e i sistemi di controllo del vuoto e di misura dei
campi. L’accettanza angolare e in energia misurata è risultata essere in ottimo accordo con le
specifiche di progetto. Alcune misure del fattore di soppressione del fascio incidente (ca 10-11
invece di 10-15) hanno evidenziato la necessità di potenziare la selezione in velocità nel
separatore, che avverrà grazie all’installazione di un nuovo filtro di velocità, prevista per il
2002. Un rivelatore veloce (Parallel Grid Avalanche Counter) è stato integrato nella camera a
ionizzazione di fondo canale per le misure in coincidenza con i γ. E’ stata completata
l’implementazione delle routine del sistema di acquisizione per l’analisi in linea dei dati
raccolti. E’ continuato lo studio dell’influenza del rate stellare della 12C(α,γ)16O sulla
evoluzione di stelle massicce, che fissa la precisione con cui sarà effettivamente necessario
determinare la sezione d’urto all’energia di interesse astrofisico (Ecm=300 keV). In
collaborazione con un gruppo della Simon Fraser University di Vancouver è stata completata
l’analisi dei risultati delle misure delle distribuzioni degli stati di carica in assorbitori gassosi
per gli ioni di interesse per il separatore ERNA e per DRAGON (Detector of Recoils And
Gammas Of Nuclear reactions), un sistema simile a ERNA installato presso la facility ISAC
al Triumf, Vancouver, Canada.
La collaborazione LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics), a cui
partecipano diverse Sezioni dell’INFN e alcuni gruppi di ricerca stranieri, si dedica allo studio
di alcune reazioni della catena pp, con particolare riguardo a quelle che hanno importanza per
il problema del neutrino solare, e del ciclo CNO. Usando l'acceleratore da 50 kV presso il
laboratorio del Gran Sasso è stata misurata con una precisione migliore del 10%, la sezione
d'urto della reazione d(p,γ)3He da 22 a 2.5 keV, sotto l'energia di Gamow nel sole. E' stato
utilizzato un rivelatore per γ al BGO cilindrico, all’interno del quale è alloggiato il bersaglio
gassoso e il calorimetro per la misura dell'intensità del fascio. L'efficienza per γ da 5.5 MeV è
circa del 70%, con una risoluzione energetica dell'8%. La sezione d'urto della reazione
d(p,γ)3He è stata misurata variando l'energia del fascio tra 32 e 4 keV. In corrispondenza del
picco di Gamow (E=6.5 keV) il fattore astrofisico S è risultato essere 0.6 ± 0.02 eV b. Alla
105
fine dell'esperimento il gas target è stato modificato al fine di migliorarne la trasmissione ed è
stato realizzato un nuovo calorimetro a 200 W, in previsione dell’utilizzazione del sistema
presso il nuovo acceleratore da 400 kV, la cui installazione è stata completata nel 2001.
Attualmente l'acceleratore è in grado di produrre fasci di protoni di energia compresa tra 50 e
400 keV con intensità fino a 750 µA sul bersaglio e di funzionare in sicurezza anche senza la
presenza di personale in sito. La risoluzione energetica dell'acceleratore (72 eV) e la sua
stabilità, essenziali per garantire la precisione delle misure progettate, sono stati misurati
utilizzando la risonanza a Ep = 389 keV nella reazione 25Mg(p,γ)26Al. E' iniziato lo studio
della 14N(p,γ)15O, la cui sezione d’urto fissa la velocità del ciclo CNO, per la quale esiste una
considerevole discrepanza tra le diverse estrapolazioni dei dati finora esistenti, che arrivano a
circa 200 keV, alla regione d'interesse per il burning CNO in condizioni astrofisiche (20-80
keV). La precisione richiesta alle misure ha imposto altresì uno studio molto dettagliato della
qualità dei bersagli di azoto prodotti con varie tecniche, svolto misurando le funzioni di
eccitazione della reazione 14N(p,γ)15O per quattro stati finali nell' 15O, nella regione della
risonanza a 278 keV. I risultati dello studio della funzione di eccitazione mostrano che, ad
energie inferiori a quella della risonanza, la resa è indipendente dallo spessore del bersaglio,
indicando che, a tutte le energie, è trascurabile il contributo al tasso di conteggio osservato
dello spessore successivo ai primi 25 keV. Per quanto riguarda un altro aspetto fondamentale
dell’astrofisica nucleare, cioè i processi di perdita di energia di ioni a bassa energia e l’effetto
di screening elettronico in reazioni nucleari a bassa energia, sono stati svolti numerosi
esperimenti presso l’acceleratore da 100 kV dell’Università di Bochum considerando la
reazione d(3He,p)4He studiata utilizzando sia bersagli gassosi sia bersagli metallici deuterati.
In tal modo è stata evidenziata un inaspettato aumento dell’effetto di screening in alcuni
bersagli metallici. Inoltre è stato svolto uno studio sull'influenza della sezione d’urto di alcune
reazioni nucleari nell'evoluzione stellare. In particolare è stata effettuata una valutazione della
sensibilità dell'età degli ammassi globulari al valore della sezione d'urto della reazione
14
N(p,γ)15O ed è stata condotta una valutazione degli effetti delle incertezze dei parametri
nucleari nel problema del neutrino solare.
Programma 2002
Per ERNA è previsto, nel corso del 2002, il completamento del bersaglio gassoso, il
montaggio dell’apparato di rivelazione γ e l’installazione del nuovo filtro. Con questo
apparato sarà iniziata la campagna di misure della reazione 12C(α,γ)16O per Ecm=1.4-5.0 MeV.
Parallelamente è prevista l’installazione di un rivelatore basato su micro-channel plate per la
misura dei tempi di volo dei rinculi per abbassare la soglia di rivelazione. Per quanto riguarda
invece il separatore DRAGON, sarà svolto, in collaborazione con il gruppo del Prof. J.
D’Auria (Simon Fraser University of Vancouver, Canada) e del Prof. U. Greife (Colorado
School of Mines), un esperimento volto allo studio della reazione 19Ne(p,γ)20Na.
Per LUNA è in programma il completamento dello studio della 14N(p,γ)15O grazie
all’installazione di una nuova camera per ospitare i bersagli, che consentirà l'utilizzazione di
quattro rivelatori al germanio iperpuro. Successivamente l'attenzione sarà rivolta verso lo
studio delle risonanze a bassa energia nella reazione 25Mg(α,γ)29Si, fondamentale per la
comprensione dei cicli NeNa e MgAl. Sarà realizzata una seconda linea di fascio per ospitare
il bersaglio gassoso ed il rivelatore di BGO e sarà installata una versione potenziata del
sistema di acquisizione già utilizzato per lo studio della reazione d(p,γ)3He.
106
The activity of the Nuclear Astrophysics group can be divided into two major streams, corresponding to two
different approaches in the investigations of some nuclear reactions that play a key-role in stellar evolution and
nucleosynthesis: the first one is based on the use of recoil mass separators to measure the cross section of
proton and alpha radiative capture reactions (ERNA experiment), while the second one exploits the drastic
reduction of cosmic background achieved in the underground laboratory at Gran Sasso (LUNA experiment).
The research program of ERNA (European Recoil separator for Nuclear Astrophysics) includes the
measurement of the cross section of 12C(α,γ)16O, a key-reaction in the evolution and nucleosynthesis of massive
stars, in the energy range Ecm=0.7-5.0 MeV. During 2001, the separator has been completed, including the
computer controlled vacuum and field measurement systems, that will allow the exceptional stability of the
apparatus required by the long run expected for the actual measurements. The angular and energy acceptance
have been measured and turned out to be in excellent agreement with the project specification. Some
preliminary measurements of the beam suppression factor (ca 10-11 instead of 10-15) pointed out the need of the
improvements of the velocity selection in the separator, that will be achieved by means of the installation of the
new velocity filter, that in turns requires a new setup for the last part of the separator and a consequent update
of the optical calculations, that have been performed. A new fast detector (Parallel Grid Avalanche Counter) for
γ-particle coincidence measurement has been integrated in the final ∆E-E telescope detector. The online
analysis routines of the acquisition system have been completed and tested. Besides the setup activity,
calculations have been performed to investigate quantitatively the influence of 12C(α,γ)16O on stellar evolution
and nucleosynthesis, in order to determine the degree of precision in the cross section required to test the stellar
model. Finally, the analysis of charge state distributions in gaseous absorber have been completed, considering
the ions of interest for ERNA and for DRAGON (Detector of Recoils And Gammas Of Nuclear reactions), that is
a system similar to ERNA installed at the ISAC facility at Triumf, Vancouver, Canada.
As regards LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics), the cross section of d(p,γ)3He was
measured at the 50 kV LUNA accelerator facility at Gran Sasso underground laboratory with a precision of the
order of 10% for Ecm= 2.5 to 22 keV, that is well below the solar Gamow peak, using a differentially pumped
gas-target system designed to fit the characteristics of a large BGO cylindrical γ−detector, with a coaxial hole
hosting the target chamber and the beam calorimeter. The detection efficiency for 5.5 MeV γ-rays is about 70%
with an energy resolution of 8%. The d(p,γ)3He cross section was measured varying the beam energy between 32
and 4 keV in fine steps. The experiment was carried out at different target pressures and using different
molecular beams (H1, H2, H3), to verify the absence of systematic effects. At the centre of the solar Gamow peak
(E=6.5 keV) the S-factor turned out to be 0.6 ± 0.02 eV b. The extrapolation at E=0 of S-factor S0 is 2.5 keV.
After the conclusion of this experiment the gas target has been revised to obtain a better transmission and a new
200 W calorimeter has been realised in view of its installation at the new 400 kV accelerator, whose installation
and characterisation was completed during 2001.Presently the 400 kV accelerator delivers proton beams in the
energy range between 50 keV and 400 keV with a beam intensity of up to 750 µA on target and it can run safely
without personnel on site. The energy resolution of the accelerator (72 eV) and its stability, important for
achieving a good accuracy in the planned measurements have been carried out using the resonance at Ep = 389
keV in the 25Mg(p,γ)26Al reaction. The study of the reaction 14N(p,γ)15O has began. This reaction, up to now, has
been studied at energies higher than 200 keV, and different extrapolations lead to discrepant values at the
typical energies for the CNO burning in astrophysical conditions (20-80 keV). The precision expected imposed
an extensive study of the quality of N targets produced with various techniques, performed measuring the
excitation function of the 14N(p,γ)15O reaction in the region of the resonance at Ep = 278 keV. Excitation
function study shown that the yield, in the continuous part at energies lower than the Ep = 278 keV resonance, is
independent on target thickness, indicating that, at all energies, the contribution to the yield of the target layers
beyond the first 25 keV is negligible.
Two fundamental aspects of nuclear astrophysics, that is the energy loss of low energy ions and the electron
screening effect in nuclear reactions at low energies, have been investigated in a series of experiments
performed at the 100 kV accelerator in Bochum using d(3He,p)4He as a test case. Measurements performed
using both gas targets and metallic deuterated targets showed an unexpected increase in the electron screening
potential energy in some metallic targets. Furthermore, an investigation of the influence of the cross section of
some nuclear reactions in stellar evolution has been carried out. In particular, the dependence of the age of the
globular clusters on the change of the 14N(p,γ)15O cross section has been performed and the influence of the
most uncertain nuclear parameters on the solar neutrino problem has been estimated.
107
2002 program
In 2002 the ERNA experimental apparatus will be completed with the installation of the gas-target, the γ
detection set-up, the new velocity filter and the beam emittance reduction slit system. With this apparatus a first
experiment will be started to measure the 12C(α,γ)16O reaction in the energy range Ecm=1.4-5.0 MeV. Parallel to
that a Time-of-Flight detector will be developed in order to reduce the detection threshold for the recoils.
Thanks to the experience gained in the ERNA experiment, another astrophysical important reaction,
19
Ne(p,γ)20Na will be studied using the DRAGON apparatus.
As regards LUNA, the study of the 14N(p,γ)15O will be completed thanks to a new target chamber to allow the
mounting of four high purity Germanium detectors. After that the attention will be devoted to study the low
energy resonances in the 25Mg(α,γ)29Si reaction, fundamental for the understanding of NeNa and MgAl cycles. A
new beam line will be realised to host the gas target and the BGO array. Also the acquisition system used for
carrying out the d(p,γ)3He reaction will be upgraded.
Pubblicazioni 2001
1) G. Imbriani, M. Limongi, L. Gialanella, F. Terrasi, O. Straniero and A. Chieffi. The 12C(α,γ)16O reaction
rate and the evolution of stars in the mass range 0.8<M/MO<25. Astrophys. J., 558 (2001) 903.
2) L. Gialanella, D.Rogalla, L. Campajola, D’Onofrio, G. Imbriani, A. Ordine, V. Roca, M. Romano, C.
Sabbarese, F. Terrasi, et al. The E1 amplitude in 12C(α,γ)16O. Eur. Phys. J A11 (2001) 357.
3) D. Rogalla, L. A. D’Onofrio, L. Gialanella, G. Imbriani, A. Ordine, V. Roca, C. Rolfs, M. Romano, C.
Sabbarese, F. Terrasi et al. Recoil separator ERNA*: improved measurements of the astrophysical
key reaction 12C(α,γ))16O, Nucl. Phys. A688 (2001)549
4) L. Gialanella, L. Campajola, D’Onofrio, G. Imbriani, A. Ordine, V. Roca, D. Rogalla, M. Romano, F.
Terrasi, and H.P. Trautvetter. A new determination of the E1 amplitude of 12C(α,γ)16O a energies of
astrophysical interest. Int. Nucl. Phys. Conf. “Nuclear Physics in the 21st century”, Berkeley (California,
USA), July 30 – August 3 2001.
5) G. Imbriani, O. Straniero, F. Terrasi, M. Limongi and A. Chieffi, Influence of the 12C(α,γ)16O reaction rate
on the evolution of a 15MO star. Nucl. Phys. A688 (2001)249.
6) S. Zavatarelli, L. Campajola, A. Formicola, L. Gialanella, G. Imbriani, A. Ordine, V. Roca, M. Romano, A.
D'Onofrio, F. Terrasi, G., et al., The D(3He,p)4He fusion reaction: electron screening effect and
astrophysical S(E) factor at low energies, Nucl. Phys. A688 (2001)514
7) F. Terrasi, L. Gialanella, G. Imbriani, F. Strieder, C. Lubritto, A. Ordine, V. Roca, C. Rolfs, M. Romano, D.
Rogalla, et al.. Direct measurement of the absolute cross section of p(7Be,γ)8B. Nucl. Phys. A688 (2001)539.
8) D. Rogalla, A. D’Onofrio, L. Gialanella, G. Imbriani, A. Ordine, V. Roca, C. Rolfs, M. Romano, C.
Sabbarese, et al..
Recoil separator ERNA*: improved measurements of the astrophysical
key reaction 12C(α,γ))16O, Nucl. Phys. A688 (2001)549.
9) F. Strieder, L.Gialanella, G. Gyürky, F. Schümann, L. Campajola, A. DÒnofrio, G. Imbriani, A. Ordine,
V.Roca, et al.. Absolute cross section of 7Be(p,γ)8B. Nucl. Phys. A 696 (2001) 219S.
10) F. Raiola, A. Formicola, A. D'Onofrio, L. Gialanella, G. Imbriani, A.Ordine, V. Roca, M. Romano, O.
Straniero, F. Terrasi, et al.. Stopping power of low-energy deuterons in 3He gas: a threshold effect. Eur.
Phys. J A10 (2001) 487.
11) M. Aliotta, A. Formicola, L. Campajola, A. D'Onofrio, L. Gialanella, G. Imbriani, A.Ordine, V. Roca, M.
Romano, F. Terrasi, et al.. Electron screening effect in the reactions 3He(d,p)4He and d(3He,p)4He. Nucl.
Phys A690 (2001) 790.
12) G. Imbriani, M. Limongi, L. Gialanella, F. Terrasi, O. Straniero and A. Chieffi. The 12C(α,γ)16O reaction
rate and the evolution of stars in the mass range 0.8<M/MO<25. Astrophys. J., 558 (2001) 903.
13) O. Straniero, A. Chieffi, I. Dominguez, G. Imbriani, M. Limongi. Is it the Universe younger than the
Galaxy? The lesson of the Globular Cluster. ASP Conference Series Vol.245. Ed. T. von Hippel et al. San
Francisco: Astronomical Society of the Pacific, 2001, p.370.
108
FISICA APPLICATA
IONIZZAZIONE IN ORBITALI ATOMICI INTERNI
D. Grassi *, N. De Cesare, E. Perillo, G. Spadaccini, M. Vigilante
Attività 2001
Viene condotto lo studio del processo di ionizzazione in sottostrati L indotto da
bombardamento con ioni leggeri e fotoni, con particolare riguardo alle misure di larghezze di
decadimento delle vacanze elettroniche prodotte.
L'attività svolta nel 2001 è stata essenzialmente rivolta allo studio e alla realizzazione di filtri
"monocromatori" per il fascio del generatore di raggi X. Sono state eseguite numerose prove
utilizzando filtri di Cl, Ca, Al, Fe, Ag, Nd, Ho, ottenendo in trasmissione
monocromatizzazione fino a 1.2 keV e, in fluorescenza, fino a 300 eV. Questo ha consentito
di iniziare un programma di misure con ionizzazione selettiva degli orbitali Li in elementi con
50<Z<70, per una misura diretta delle rese di fluorescenza e dei rapporti tra le larghezze di
decadimento radiative. In particolare, sono stati ottenuti dati relativi al Disprosio ed all'Olmio.
Si tenga presente che questi parametri sono abitualmente ottenuti da calcoli e ne esistono solo
rarissime misure.
Per quanto riguarda l’impiego della tecnica delle coincidenze Xk- XL, è stato allo scopo
realizzato un nuovo sistema meccanico di posizionamento dei rivelatori, che consente di
aumentare l'efficienza del sistema di rivelazione, intrinsecamente bassa soprattutto a causa
della estrema pulizia richiesta per il fascio incidente, con lo scopo di effettuare misure
statisticamente significative.
Programma 2002
Per il 2002 si prevede di proseguire nel programma iniziato, con misure su alcuni elementi in
studio, per avere a disposizione un quadro sistematico di valori delle rese di fluorescenza e dei
rapporti tra le larghezze di decadimento radiative, di per sé rilevanti, e per estrarne gli
andamenti in funzione di Z.
In parallelo, si proseguirà nell'attività volta ad aumentare l'efficienza dell'apparato di
rivelazione e la pulizia del fascio incidente per le misure con la tecnica delle coincidenze XKXL.
L-shell ionization process induced by light ion and photon bombardment is under study, with particular focus on
measurements of decay widths of electron vacancies. In the last year the efforts have been devoted to study and
fabrication of monochromatizing filters for the X-ray generator beam. Tests have been performed with Cl, Ca,
Al, Fe, Ag, Nd and Ho filters, obtaining FWHM of 1.2 keV in transmission and of 300 eV in fluorescence. This
allowed us to start with a program of measurements aiming at directly measuring fluorescence yields and decay
width ratios, by using selective ionization of Li shells, of elements with 50<Z<70. In particular, data relative to
dysprosium and holmium have been obtained. One must note that usually these parameters are calculated and
only very few measurements exist.
Further, first tests on XK- XL coincidences have started, trying to enhance the low global efficiency of the
experimental apparatus. A new mechanical system for detector positioning has been fabricated at this aim.
109
2002 Program
Measurements of the decay widths on some of the elements under study, aiming at obtaining their behaviour
against Z. Simultaneously, the efforts to improve the detection efficiency and to clean the incident X-ray beam
will go on, in order to carry out the first XK- XL coincidence measurements.
RIVELATORI A SEMICONDUTTORI COMPOSTI PER RAGGI X E GAMMA
N. De Cesare, D. Grassi*, E. Perillo, G. Spadaccini
Attività 2001
La rivelazione di radiazione X e gamma di energia compresa tra qualche keV e ~1 MeV con
buona risoluzione spaziale, alta efficienza (>90%) ed elevata risoluzione energetica è un
problema rilevante sia in Fisica Atomica e Nucleare fondamentale, sia in numerose
applicazioni (ad es. radiografia digitale, angiografia digitale, tomografia, cristallografia etc.)
ed in particolar modo in Astrofisica (ricerca e studio di sorgenti spaziali di radiazione).
Si è perciò sviluppata negli ultimi anni una categoria di rivelatori basati su semiconduttori
composti, come CdTe, CdZnTe, GaAs e HgI2, di elevato numero atomico medio e con
bandgap abbastanza elevata da essere operativi anche a temperatura ambiente, superando così
il complesso problema del raffreddamento dei rivelatori e dei conseguenti ingombri
meccanici.
In questo ambito, la nostra attività nel corso del 2001, svolta in collaborazione con altri
gruppi di ricercatori italiani e stranieri, si è sviluppata contemporaneamente su più direttrici:
a) crescita epitassiale e tecniche di contattazione:
Sono sviluppate prevalentemente dal gruppo di Lecce e tendono ad ottenere rivelatori
realizzati con una tecnica innovativa, basata sulla deposizione epitassiale di CdTe (e
successivamente anche di CdZnTe), allo scopo di produrre cristalli con una morfologia
mirror-like ed un'alta qualità cristallografica, di spessori sufficienti per la rivelazione di raggi
X e gamma di bassa energia (qualche centinaio di micrometri).
Sono stati prodotti per deposizione epitassiale film di CdTe su substrati di GaAs, sia isolanti,
sia n+, con ottime qualità cristallografiche. Caratterizzazioni X ed elettriche e misure di
catodoluminescenza hanno mostrato la presenza nei film di atomi provenienti dal substrato.
E' stata trovata ed investigata una dipendenza della velocità di crescita e delle proprietà
elettriche dalla stechiometria delle polveri di partenza. Sono state stabilite collaborazioni con
il CNR/MASPEC e con Venezia Tecnologie, che sono in grado di fornire polveri con elevata
riproducibilità stechiometrica. E' stato completamente riprogettato il nuovo reattore
epitassiale necessario per ottenere spessori maggiori di CdTe; in modo da permettere anche
deposizioni del composto ternario (CdZnTe), ed è stato realizzato, includendo alcune parti
molto innovative, (camera di reazione di quarzo, precamere di caricamento e di scarico,
flange, etc.). Il reattore è stato concepito, per una maggiore versatilità, a tecnologia mista:
può ospitare cioè sia linee che consentono il trasporto di reagenti inorganici sia linee per il
trasporto di reagenti metallorganici (per lo zinco). Infatti, i tentativi di depositare il composto
ternario partendo da polveri policristalline di CdTe e ZnTe, mescolate in opportune
proporzioni, non hanno dato buoni risultati.
110
b) rivelatori prodotti con tecniche tradizionali:
Sono stati realizzati a Strasbourg rivelatori bulk di CdZnTe , su cui sono stati depositati
contatti di Au e Pt con nuove tecniche di etching sviluppate al CNR/IMM di Lecce.
Sono stati progettati in collaborazione con ricercatori del CNR/IASF di Bologna e realizzati
alla EURORAD di Strasbourg rivelatori con struttura back-to-back, ad anodi affacciati, di
varie dimensioni, irradiabili sia in configurazione Planar Transverse Field (PTF) che in
quella Planar Parallel Field (PPF). Questi dispositivi consentono:
• Sostanziale equivalenza delle prestazioni spettroscopiche rispetto ai rivelatori singoli
componenti, tranne che alle basse energie (maggiori capacità elettriche e correnti di
leakage);
• Riduzione di un fattore 2 dell'elettronica richiesta, a parità di aree esposte, in PTF, o di
spessori di assorbimento, in PPF;
• Duplicazione delle regioni di spettroscopia ottimale, a parità di aree esposte, in PTF.
Lo spessore (distanza interelettrodica) ottimale dei singoli rivelatori è risultato di 1 mm,
perché si ottengono:
• Massima profondità della zona di spettroscopia ottimale;
• Più elevato rapporto tra questa profondità e la distanza interelettrodica.
c) miglioramenti spettroscopici con l’impiego di particolari geometrie di elettrodi:
Sono stati completati i test sui rivelatori al CdTe a griglie complanari, di “seconda
generazione”, realizzati su nostro progetto dalla ACROTEC (Giappone). I risultati hanno
confermato che per rivelatori al CdTe di spessori fino a 2 mm la tecnica è inefficace per
energie minori di ~ 100 keV. Si sono quindi studiate nuove configurazioni di elettrodi, non
utilizzanti la tecnica della one carrier detection. Sono state eseguite numerose simulazioni
con diverse geometrie; rivelatori dotati di elettrodi nelle configurazioni più promettenti sono
stati realizzati nell'ambito di una collaborazione con la eV PRODUCTS di Saxonburg (USA)
e sono ora in fase di montaggio sugli opportuni supporti per la esecuzione delle prove.
Programma 2002
a) crescita epitassiale e tecniche di contattazione:
Realizzazione di rivelatori planari e di array mono- e bi-dimensionali di CdTe, basati su
cristalli prodotti per deposizione epitassiale con il nuovo reattore ad alta capacità.
Studio della modellizzazione termodinamica della deposizione di CdZnTe e prime
deposizioni di questo materiale.
b+c) rivelatori prodotti con tecniche tradizionali e miglioramenti spettroscopici con l’impiego
di particolari geometrie di elettrodi:
Saranno estese le prove su rivelatori al CdTe prodotti con tecniche tradizionali. Si procederà a
prove di prestazioni spettroscopiche e di uniformità planare e caratterizzazioni per
applicazioni radiologiche e spaziali. Saranno realizzati sistemi di multirivelatori bulk prodotti
con nuove tecniche di contattazione e struttura back-to-back, disposti in array mono- e bidimensionali (a microstrip)e gli idonei sistemi di collimazione. Per quanto riguarda i nuovi
rivelatori al CdZnTe, sarà completato il montaggio dei diversi set di rivelatori; i test relativi
permetteranno di stabilire la configurazione elettrodica più adatta alle applicazioni
astrofisiche e medicali. Sarà inoltre proseguito lo studio in corso per adattare i
preamplificatori sviluppati per questo tipo di rivelator alle maggiori capacità elettriche dei
dispositivi epitassiali.
111
X- and gamma-ray detection in the energy range from several keV to ~1 MeV with good spatial and energy
resolution and high efficiency (> 90%) is of great interest in many fields, and in particular in Astrophysics and
Radiology. Toward this aim room-temperature operated compound semiconductor detectors (based e.g. on
CdTe, CdZnTe, GaAs and HgI2,) have been developed. Our activity in this field has been devoted to the
following items:
a) epitaxial growth and contact techniques:
aiming at producing devices based on high quality mirror-like CdTe and CdZnTe crystals several hundreds
micrometers thick, suitable to detect X and low energy gamma rays. Measurements performed on CdTe films
deposited on both insulating and n+ GaAs substrates have shown a dependence of the growth rate and the
electrical properties on the starting material stoichiometry. Collaborations have been established with
CNR/MASPEC and Venezia Tecnologie , aiming at starting the depositions with high-reproducibility
stoichiometry materials. The new highly innovating epitaxial reactor has been redesigned, in order to include
the ternary compound (CdZnTe) deposition, through the metallorganic transport technology.
b) traditional bulk detectors:
CdZnTe bulk detectors fabricated at Strasbourg have been contacted at CNR/IMM-Lecce by using Au and Pt
contacts and new etching techniques.
Back-to-back detectors of various sizes, suitable to be irradiated in both the Planar Transverse Field (PTF) and
the Planar Parallel Field (PPF) configurations have been designed in collaboration with researchers from the
CNR/IASF - Bologna and fabricated at EURORAD - Strasbourg. These devices offer:
• Similar spectroscopic performance, with respect to the single detectors, but at the low energies, owing to
higher electric capacitance and leakage current;
• Reduction to half of the required electronics, with the same active area (PTF), or the same absorbing
thickness (PPF);
• Doubling the regions with high spectroscopic performance, with the same active area (PTF).
The best thickness (inter-electrode distance) came out to be 1 mm, as one obtains:
• Maximum depth of the best spectroscopy region;
• Maximum value of the ratio between the best spectroscopy region depth and the inter-electrode distance
c) spectroscopic improvements by novel electrode geometries:
The tests on “second generation” coplanar grid anode detectors designed at Napoli and fabricated by
ACROTEC (Japan) have been completed. The results show this technique is not suitable to give significant
spectroscopic improvements on 2 mm thick CdTe based detectors, at energies lower than ~ 100 keV. Simulations
on new electrode configurations, not using the one carrier detection technique, have been carried out. Devices
with these electrode geometries have been fabricated at eV PRODUCTS - Saxonburg (USA) and are now being
assembled to start with the tests.
2002 Program
a) epitaxial growth and contact techniques:
Fabrication of CdTe planar detectors and one- and two-dimensional arrays, based on CdTe crystals produced
with the new specially designed epitaxial reactor. Simulation and first depositions of CdZnTe epitaxial layers.
b+c) traditional bulk detectors and spectroscopic improvements by novel electrode geometries:
Further tests on CdTe traditional devices. Spectroscopic, planar uniformity tests and characterizations for space
and radiological applications. Fabrication and tests of microstrip one- and two-dimensional back-to-back array
detectors and relevant collimators. Tests on CdZnTe detectors with various electrode geometries, aiming at
obtaining the best configurations for space and medical applications. Further improvements of the specially
designed front-end electronics for the higher capacitance of the epitaxial devices.
112
Pubblicazioni 2001
1) E. Perillo, N. Auricchio, E. Caroli, A. Donati, W. Dusi, P. Fougeres, M. Hage-Ali, G. Landini and P. Siffert
"Spectroscopic performance of newly designed CdTe detectors" Nucl. Instrum. Meth. A 458 (2001) 233
2) N. Auricchio, E. Caroli, A. Donati, W. Dusi, P. Fougeres, G. Landini, E. Perillo and P. Siffert "Thin CdTe
detectors mounted in back-to-back configuration: spectroscopic performance for low-energy X- and gammarays". Radiation Measurements 33 (2001) 867
3) N. Auricchio, E. Caroli, A. Donati, W. Dusi, P. Fougeres, D. Grassi, E. Perillo and P. Siffert
"Characterization of thin back-to-back CdTe detectors" IEEE Trans Nucl. Sci. 48 (2001) 1028
4) A. Cola, F. Quaranta, E. Caroli, W. Dusi and E. Perillo. "Simulation of the collection properties of CdTe
strip detectors" IEEE Trans Nucl. Sci. 48 (2001) 292
APPARATI DI RIVELAZIONE PER REAZIONI INDOTTE DA IONI PESANTI
A. Boiano*, A. De Rosa, M. Di Pietro*, G. Inglima, M. La Commara, D. Pierroutsakou*, M. Romoli*,
M. Sandoli, E. Vardaci
Attività 2001
E' stato realizzato un sistema di front-end per la lettura delle informazioni provenienti da un
chip connesso a un rivelatore a silicio segmentato, su di una faccia, in 100 strisce (aventi
dimensioni 0.5mm x 50mm). Tale chip fornisce, per ogni evento valido, il numero della o
delle strisce eventualmente colpite da una o più particelle, l'energia in esse rilasciata
attraverso il TOT (Time Over Threshold) del segnale, ed il ritardo temporale tra l'arrivo del
trigger e quello del segnale stesso (Jitter Time). Con tali informazioni e grazie all'elevata
granularità della segmentazione, il sistema può fornire con elevata risoluzione, usando un
telescopio formato da due rivelatori aventi le strisce tra loro perpendicolari, la posizione delle
particelle che attraversano il primo stadio. La lettura delle informazioni avviene attraverso
delle schede VME chiamate AVI (Atom-VME Interface), progettate e realizzate in
collaborazione con il Servizio Elettronica e Rivelatori della Sezione INFN di Napoli. Tali
schede gestiscono la comunicazione tra il chip AToM e il bus VME, generando via hardware i
comandi necessari al controllo del chip in fase di acquisizione e trasferimento dati e
permettendo l'invio al chip dei comandi di set-up provenienti dal sistema di acquisizione
attraverso il bus VME. I livelli logici utilizzati dalle schede sono nello standard PECL
(Positive ECL). Per la sincronizzazione di più schede AVI (una per ogni chip) e l'invio del
trigger comune a tutte, è stata progettata e realizzata una scheda VME chiamata TSI (Trigger
Supervisor Interface). Tale scheda, avente 16 ingressi, si occupa della validazione dei
possibili trigger, tenendo conto dei tempi morti dei chips, delle schede di front-end e del
sistema di acquisizione. Ogni ingresso può essere mascherato o forzato indipendentemente e
vi sono inoltre divisori per diminuire la frequenza dei trigger proposti e contatori per la
misura del tempo morto.
E’ stato inoltre progettato un sistema di monitoraggio della risposta di un sistema di rivelatori
a cristalli di BaF2. Scopo di questo sistema è ridurre l'indeterminazione dovuta alle
fluttuazioni di risposta dei rivelatori. Esso utilizza una sorgente luminosa pulsata di lunghezza
d’onda opportuna ed un sistema ottico di partizione della luce che viene inviata ai rivelatori
mediante delle fibre ottiche. La costruzione del prototipo di questo apparato è stata oggetto di
una tesi di laurea.
113
E’ continuato anche lo sviluppo della elettronica di lettura del rivelatore di piano focale dello
spettrometro PRISMA dei Laboratori Nazionali di Legnaro ( http://www.lnl.infn.it ). Dopo il
preamplificatore di carica è in corso lo sviluppo di un amplificatore per spettroscopia.
Programma 2002
E' in programma un test sotto fascio di tutto l'apparato di misura consistente nell'array di 8
telescopi e nell'elettronica di front-end appositamente sviluppata.
Sarà continuato il lavoro di ingegnerizzazione dell’apparato di controllo del guadagno dei
rivelatori a BaF2 per ridurre l'indeterminazione dovuta alle fluttuazioni di risposta del sistema
di rivelazione dei fotoni.
2001 Activity
A front-end system, based on a chip, has been designed and built to read a Silicon strip detector. One chip can
deliver to the acquisition system all the information coming from up to 128 strips of each detector. Then a two
stage telescope of silicon detectors, arranged with their strips perpendicular, can allow the determination of the
position of a particle impinging on the telescope by using only two chips. For the data transfer and the chip
commands the VME bus has been used through a card named AVI (Atom chip VME Interface). Up to 16 AVI
cards can be simultaneously operated through a TSI (Trigger Supervisor Interface) card.
A monitoring system for an array of BaF2 crystal gamma ray detectors has been also designed and a first
prototype tested. Task of such a system is to monitor continuously the gain of each detector of the array to
prevent any modification of the measured gamma ray spectra due to random changes in the detector
performances.
2002 Program
All the chip based charged particle detection system and the front end will be tested in beam.
The development of the final version of the gain control system of a BaF2 crystal gamma ray detector array will
be pursued.
IMPIANTAZIONE IONICA PER TRIBOLOGIA E STUDIO DI SEMICONDUTTORI
N.De Cesare, A. D'Onofrio*, L. Gialanella, G.Imbriani*, V. Roca*, M. Romano, F. Terrasi*
Attività 2001
Nell’anno 2001 sono continuate le due attività di ricerca di tipo applicativo, che hanno in
comune lútilizzazione della tecnica di impiantazione ionica, che, in entrambi i casi, è
eseguita presso il laboratorio dellácceleratore Tandem del Dipartimento di Scienze Fisiche.
La prima attività, svolta in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Meccanica per
l’Energetica dellÚniversità di Napoli ”Federico II”, con lÍnstitut für Experimentalphysik III
della Ruhr Universität Bochum (Germania) e con un gruppo del MTA Atommagkutato di
Debrecen (Ungheria), mira allo sviluppo di una nuova tecnica di misura submicrometrica
dell’usura di parti meccaniche in movimento basata sull’impiantazione di radionuclidi, in
particolare 7Be, e il successivo monitoraggio della radioattività residua e/o rimossa per effetto
dell’usura meccanica. L’attività si svolge nell’ambito del progetto triennale TRIBONA,
secondo la legge L.297, che è stato approvato per il cofinanziamento 2001 dal G V INFN, e
sarà svolto in collaborazione con la ditta Colmegna. Nel 2001 è stata realizzata, in
collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Meccanica per l’Energetica, una apposita
114
macchina ”pin on disk” di dimensioni ridotte che consentirà di migliorare l’efficienza di
rivelazione dei γ del 7Be e renderà più semplice ed efficace la raccolta dei residui granulosi
per le misure della radioattività asportata oltre che di quella residua. Sono stati effettuati
alcuni test con fasci stabili, principalmente con 9Be, per la messa a punto del dispositivo di
controllo del profilo del fascio, nonché due impiantazioni di 7Be per le misure tribologiche.
La seconda l’attività, svolta in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Elettronica
per le Telecomunicazioni dellÚniversità di Napoli ”Federico II”, è volta allo studio delle
modifiche delle caratteristiche elettriche di dispositivi di potenza basati su semiconduttori in
seguito a impiantazione ionica. Nel corso del 2001 sono stati processati sette campioni
impiantando protoni con una energia di 1.5 MeV ed una dose variabile da 109–1012 ioni/cm2.
La misura locale del tempo di ricombinazione dei portatori di carica, prima e dopo
l’irradiazione ionica, ha mostrato che il danno cristallografico raggiunge regioni del
semiconduttore profonde mettendo in evidenza notevoli fenomeni di channelling. E’ stata
verificata la riproducibilità dei processi effettuati, focalizzando l’attenzione sulla dose che ha
dato i risultati più significativi (1 ⋅ 1011 ioni/cm2).
Programma 2002
Sarà installata presso il Dipartimento di Scienze Fisiche la macchina “pin on disk” e sarà
eseguita sui provini metallici, límpiantazione di 7Be. Presso il Dipartimento di Ingegneria
Meccanica per l’Energetica dell’Università degli Studi di Napoli “Federico II” saranno
condotte le prove sperimentali per la definizione e la validazione di tecniche e metodologie di
misura dell’usura da utilizzare in campo industriale sia come mezzo diagnostico, sia nelle
prove d’usura standard su macchine specifiche.
Nell’ambito dell’attività di studio dei semiconduttori, sarà migliorata la stazione di
impiantazione e saranno effettuate impiantazioni di protoni e di ioni più pesanti per studiare le
differenze dei danni indotti. Saranno impiantate circa 10 strutture di test realizzate su due lotti
di wafers di silicio con uno strato epitassiale di tipo n, accresciuto su di un substrato, sempre
di tipo n, fortemente drogato. Su tutti i campioni sarà misurato il profilo del lifetime nello
strato epitassiale prima e dopo averli sottoposti ad impiantazione. Misure di test saranno
inoltre effettuate su diodi commerciali p+/n .
In 2001 the activity in applied physics was focussed in two different projects, having in common the use of ion
implantation, that is performed at the Tandem laboratory of the Department of Physical Sciences of Naples
University.
The first project, a collaboration with the Department of Mechanical Engineering for Energetics of the
University of Napoli ”Federico II”, the Institut für Experimentalphysik III at the Ruhr Universität Bochum
(Germany), and a group at the MTA Atommagkutato Debrecen (Hungary), aims at developing a new technique
for submicrometric wear measurements on mechanic components by means of implantation of radionuclides,
namely 7Be, and the following detection of variation in residual and/or removed radioactivity due to the wear.
The activity is supported by INFN G V l. 297 in collaboration with the firm Colmegna. A dedicated pin-on-disk
apparatus has been realized to improve the detection efficiency of the implanted radioactivity. Some tests with
stable beams, maily 9Be, have been performed in order to optimize the implantation profile control system, two
7
Be implantations have been realized for the actual tribological measurements.
The second project, in collaboration with the Department of Electronic and Telecommunication Engineering
of the University of Napoli ”Federico II”, is devoted to the study of the modifications induced by ion beam
irradiation on semiconductor power devices. Seven test devices have been irradiated using a 1.5 MeV proton
115
beam with doses ranging from 109 to 1012 ion/cm2. Measurements of lifetime profile on implanted devices show
interesting channelling effects.
2002 Program
As regard 7Be implantation, the dedicated pin-on-disk apparatus will be installed at the Physics Department.
Several implantations are scheduled for the actual tribological measurements.
As regard the research project on semiconductor power devices, a series of measurements is planned using
protons and eventually heavier ions. About 10 Silicon wafers with n-doped epitalassial layer will be implanted
and the lifetime profile will be measured. Such measurements will be performed using an improved implantation
station, that will allow a better control of the implanted dose and of the ion distribution.
ANALISI DI MATERIALI CON USO DI FASCI IONICI
L. Campajola, G. Gialanella, R. Moro, E. Perillo, G. Spadaccini
Attività 2001
Vengono eseguite, con l'impiego di tecniche nucleari non-distruttive (Rutherford Back
Scattering Spectrometry - RBS), Reazioni Nucleari Risonanti (NRA), PIXE, etc.) misure di
caratterizzazione stechiometrica su film ultrasottili di semiconduttori o superconduttori.
Queste tecniche consentono, oltre all'analisi composizionale ed alla effettuazione di profili di
concentrazione, la misura quantitativa di elementi in traccia, come ad es. di materiali
droganti, nel caso dei semiconduttori, con precisioni molto spinte. I campioni da analizzare
vengono forniti dall'esterno, per cui questo tipo di ricerche si svolge tipicamente in
collaborazione con altri ricercatori del Dipartimento e/o di Enti esterni. In particolare, sono
stati misurati e analizzati film superconduttori di SmBaCuO depositati su substrati di MgO e
su SrTiO3.
Per quanto riguarda la tecnica PIXE essa è stata applicata alla misura di elementi in traccia in
particolato atmosferico. Nel 2001 è iniziata una collaborazione con le Università di Firenze,
Genova e Milano per misure di campioni di particolato prelevati contemporaneamente in siti
analoghi dove sono installate centraline di controllo ambientale delle Regioni. Per Napoli in
collaborazione con lo SCIA (Servizio di Controllo Inquinamento Ambientale) è stato
installato l’apparato nella centralina di Via Diocleziano. Sono stati effettuati due gruppi di
misure: uno a febbraio e l’altro a luglio. E’ stato raccolto particolato grosso e fino e sono stati
ottenuti i parametri atmosferici rilevanti quali umidità, temperatura e vento. I risultati
preliminari sono stati presentati alla conferenza IBA2001.
Programma 2002
Sono previste misure di caratterizzazione con tecniche RBS, NRA, PIXE e XRF di film sottili
superconduttori prodotti con Pulsed Laser Ablation (ad es. SmBaCuO, NbN, leghe Ti-Va su
diversi substrati), in collaborazione con IMS/CNR -PZ. Inoltre sono previste misure di
mobilità elettronica in film semiconduttori di Si microcristallino, utilizzando le tecniche XRF
ed il bombardamento con fascio concentrato di un laser ad azoto.
Per quanto riguarda le misure su particolato, nel 2002 sarà completata l’analisi dei dati in
termini di concentrazioni e in termini di correlazioni tra elementi e parametri ambientali
116
2001 Activity
Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), Nuclear Reaction Analysis (NRA), PIXE, etc compositional
analyses are performed on ultrathin semiconductor or superconductor films. These techniques, besides
concentration profiles, allow one to perform high precision quantitative analyses on trace elements, such as
dopants in semiconductors. This research activity is carried out in collaboration with researchers from other
Institutions, who provide the samples to be analyzed. In particular, superconducting SmBaCuO films deposited
on MgO and SrTiO3 substrates have been analyzed.
In 2002 we started a collaboration with the Universities of Firenze, Genova e Milano to carry on PIXE
measurements of air particulate collected simultaneously in these towns. Fine and coarse fractions of
particulate matter have been collected. Atmospheric data were also recorded. Preliminary results have been
presented IBA 2001 conference.
2002 Program
RBS, NRA, PIXE and XRF characterization of thin superconducting films obtained by Pulsed Laser Ablation
(e.g. SmBaCuO, NbN, Ti-Va on different substrates), in collaboration with IMS/CNR -PZ.
In 2002 data analysis of PIXE measurements on air particulate will be completed.
Pubblicazioni 2001
-
C. Loguercio, V. De Girolamo, A. Federico, S.L. Feng, E. Crafa, V. Cataldi, G. Gialanella, R. Moro and C.
Del Vecchio Blanco. “The relationship of blood Trace Elements to liver damage, nutritional status and
oxidative stress in chronic non-alcoholic liver disease”. Biol. Trace Element Res. 81 (2001) 245-254..
-
V. Ariola, L. Campajola, A. D’Alessandro, P. Del Carmine, F. Gagliardi, F. Lucarelli, P. A. Mandò, G.
Marcazzan, R. Moro, S. Nava et al. “Aerosol characterisation in italian towns by IBA techniques” XV Int.
Conf. on “Ion Beam Analysis”, Cairns (Australia), July 15-20 2001.
RADIOATTIVITA’ AMBIENTALE
L. Gialanella, M. Pugliese*, V. Roca*, M.Romano
Attività 2001
Nell'ambito delle attività che vertono sullo studio della radioattività naturale e del radon nei
materiali e nell'aria libera, è stata completata la caratterizzazione del monitor a raccolta
elettrostatica dei prodotti ionizzati di decadimento del radon, completando l'analisi delle
campagne di misura già svolte sia presso il nostro laboratorio che presso l'ENEA. I risultati
hanno confermato che il parametro da cui più dipende l'efficienza di raccolta della camera è
l'umidità, che influenza la raccolta di ioni di circa il 2% per ogni variazione percentuale
unitaria del parametro. All'aumento di questo parametro corrisponde infatti l'aumento degli
ioni OH-, che producono un drastico aumento della ricombinazione degli ioni 218Po+.
Temperatura e pressione hanno un'influenza inferiore: meno dello 0.2% per ogni variazione
unitaria. Anche quest'anno sono state effettuate misure di emanazione sia su suoli che su
materiali da costruzione.
Riguardo lo studio della radioattività artificiale è stata completata l'analisi dei campioni di
licheni della specie Stereocaulum Vesuvianum, che questo laboratorio sta seguendo dal 1986,
insieme al Dipartimento di Scienze Chimiche Agrarie, allo scopo di determinare la vita media
efficace del 137Cs, unico radionuclide γ-emettitore ancora rivelabile.
117
Programma 2002
Nel corso dell'anno si procederà alla messa a punto definitiva della versione migliorata del
sistema di acquisizione del radon e dei parametri ambientali. Sarà realizzata una camera di
grande volume in cui saranno esposti a concentrazioni note di radon rivelatori di vario tipo sia
per studi comparativi tra vari tipi di rivelatori, sia per calibrarli. La camera sarà climatizzata
in modo da consentire esposizioni in varie condizioni ambientali. Le concentrazioni di radon
saranno fornite da una sorgente di 226Rn e una camera di raccolta elettrostatica svolgerà la
funzione di monitor di riferimento; essa sarà accoppiata ad una versione dedicata del nostro
sistema di acquisizione che permetterà di controllare tutti i parametri.
In the framework of the activities regarding the study of the environmental radioactivity and the radon
emanation from porous materials, the characterisation of the radon monitor based on the electrostatic collection
of radon daughters, has been completed with the analysis of data taken by our laboratory and by ENEA. Results
confirmed that humidity is the parameter which mainly affects the ion collection in the chamber, producing a 2%
degrading in efficiency for each unitary percentage increasing. The increase of such parameter, in fact,
produces the growth of OH- ion concentration, which corresponds to an higher 218Po+ ion recombination.
Temperature and pressure play a secondary role in the ion collection, influencing the efficiency for less than
0,2% for each unitary variation of the parameters. Emanation and exhalation rates determination on soil and
building materials have been done.
Regarding the artificial radioactivity, the analysis of likens " Stereocaulum Vesuvianum", has been completed.
Our laboratory follows since 1986 these bio-indicators, with the aim to better measure the effective mean life of
137Cs, that is still now detectable.
2002 Program
Next year the upgrading of the acquisition system of radon concentrations and of environmental parameters will
be done. A big volume chamber, in which different kinds of radon detectors could be exposed to known radon
concentrations, will be built, useful for calibration and study purposes. The chamber will be climatised to obtain
exposures in different environmental conditions. The radon will be produced from a 226Ra source of our
laboratory and an electrostatic collection cell will be used as reference monitor, coupled to a dedicated version
of our acquisition system, which will allow to control all parameters.
Pubblicazioni 2001
1) P. De Felice, V. Roca, V. Vocino, M. Magnoni, S. Bertino, C. Cristofaro, L. Verdi, A. Gazzola, F. Terrasi,
C. Sabbarese et al. Campagna nazionale per l’applicazione della correzione per effetto di somma in
coincidenza in misure di spettrometria gamma. XXXII Congresso Nazionale dell’Associazione Italiana di
Radioprotezione, 26-28 Settembre 2001, La Maddalena.
2) C. Sabbarese, A. D'Onofrio, V. Roca, F. Terrasi. Misura dell’emanazione di radon da materiali mediante
tecniche di raccolta elettrostatica. Relazione su invito alle “Giornate di studio sulle esposizione da attività
lavorative con sorgenti naturali di radiazioni ionizzanti in stabilimenti termali”. Montecatini Terme, 28-29
giugno 2001.
118
SPETTROMETRIA DI MASSA ULTRASENSIBILE CON L'ACCELERATORE
TANDEM TTT-3
A. D'Onofrio*, L. Gialanella, G. Imbriani*, C. Lubritto*, V. Roca*, M. Romano, C. Sabbarese*, F. Terrasi*
Attività 2001
In collaborazione con il Dipartimento di Scienze Ambientali della Seconda Università sono
state ultimate le implementazioni sia nel sistema di iniezione del Tandem (preaccelerazione),
che nella fase di preparazione dei campioni per AMS e realizzata una nuova versione della
linea di grafitizzazione. Le modifiche sono state verificate misurando circa trenta campioni
standard e campioni “ blank “, che hanno fornito rese del processo di grafitizzazione
dell’ordine dell’80% e livello di contaminazione per una età radiocarbonica equivalente
superiore a 50 ka. Nell’ambito della collaborazione con il Dipartimento di Arboricoltura
Botanica e Patologia Vegetale della “Federico II” per la caratterizzazione delle alternanze tra
vegetazione di tipo sempreverde e caducifoglia in ambiente mediterraneo, è stata misurata,
presso il Laboratorio del Tandem del Dipartimento di Scienze Fisiche, l’età di tre campioni
provenienti dal promontorio di punta Tresini, in Cilento. Inoltre utilizzando le caratteristiche
del separatore di rinculi per l’Astrofisica Nucleare, installato presso il Laboratorio del
Tandem della Università della Ruhr, è stata realizzata una linea per AMS, con la quale è stata
misurata l’età di campioni dell’effigie della Madonna di Montevergine, già misurata presso il
Laboratorio del Tandem, ( 749+/-100 a. B.P) e di frammenti di papiri attribuiti ad Epicuro
(2235+/-80 a. B.P.) per i quali sarà ripetuta, anche a fini di intercalibrazione, la
determinazione presso il Tandem di Napoli. La precisione raggiunta nella misura del rapporto
isotopico 13C/14C è stata dell’1%.
The improvements brought by the modifications implemented both in the sample preparation procedure
(compact glass graphitization line) and in the tandem injection system (pre-acceleration stage between ion
source and injection magnet) have been verified by measuring three tens of standard and “blank” samples. The
results of isotopic ratio measurements allowed to check the reliability of both sample preparation and isotopic
ratio measurement procedures. For the research program carried out in the framework of a collaboration with
the Dipartimento di Arboricoltura Botanica e Patologia Vegetale of the Università “Federico II” di Napoli,
concerning the study of the mutation dynamics of the mediterranean vegetation according to current models for
the understanding of the vegetation dynamics in historical times 3 samples coming from the Tresini point (
Cilento area) have been measured at Tandem Laboratory of Physical Sciences Department. About 30 samples
concerning the research programs have been processed in collaboration with the DSA, by using the improved
version of the graphitization line. An AMS beam line has been installed at Tandem Laboratory of Institut für
Experimentalphysik III della Ruhr-Universität Bochum utilizing the ERNA facility. Samples of “Madonna di
Montevergine”( 749+/-100 y B.P), previously measured at Naples Tandem and papyrus fragments attributed to
Epicuro (2235+/-80 y. B.P.) have been measured. For the papyrus the determination will be repeated at Naples
Tandem also for inter-comparison purpose. Precision level of 1% have been achieved in 13C/14C isotopes ratios
measurements.
119
SVILUPPO DI SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI
A. Boiano*, A. Ordine*
Attività 2001
Tale attività, iniziata ai primi degli anni ’90, è da qualche anno concentrata su di una linea di
sviluppo denominata FAIR (Fast Intercrate Readout). FAIR è un sistema di trigger, readout e
controllo interamente progettato nel Laboratorio Sviluppo Sistemi (LASS) della sezione di
Napoli dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Tale linea di sviluppo ha prodotto sistemi di
acquisizione per gli apparati 8ðLP e GARFIELD (entrambi ai Laboratori Nazionali di
Legnaro), e per gli esperimenti SERPE (Laboratori Nazionali di Legnaro), LUNA (Laboratori
Nazionali del Gran Sasso) ed ERNA (Dynamitron Tandem Laboratorium, Bochum –
Germania).
Nel corso del 2001 è stata completata, per l’apparato GARFIELD, la realizzazione di un
modulo di ritardo digitale a 32 vie ad ampio “range” (da 25 a 6400 ns di ritardo impostabile
per ciascuna via), immediatamente gestibile in un sistema basato su FAIR. E’ stato altresì
realizzato un sistema per l’immagazzinamento su dischi dei dati in acquisizione per
l’apparato 8ðLP, basato su piattaforma PC/Linux. Infine, è iniziato il lavoro di aggiornamento
del nucleo del sistema FAIR basato su piattaforma VME a multiprocessore. Esso, già in
ambiente OS9/680X0, sarà ridisegnato per la nuova e più potente piattaforma
LynxOS/PowerPC.
Durante il 2001 sono state poi poste le basi per l’avvio di una nuova linea di sviluppo
denominata “Fv2”. La nuova linea prevede un lavoro di ricerca e sviluppo che, partendo dal
nucleo di base del sistema FAIR, condurrà alla realizzazione di un sistema, per l’acquisizione
dati ed il controllo di apparecchiature, ad altissima scalabilità e flessibilità. Il programma
proposto, "aggancia" completamente e direttamente FAIR ai più diffusi ed economici
elaboratori (PC) e sistemi di trasferimento dati a medie ed alte prestazioni (Ethernet
100/1000). Esso, al contempo, ne elimina la dipendenza dai sistemi a multiprocessore VME
che, comunque destinati all'obsolescenza, ne rappresentano attualmente anche la parte più
costosa. L’aspetto chiave è rappresentato dall’ambiente omogeneo completamente definito
per ciò che riguarda l’interazione tra hardware e software, dove l’elemento centrale, la nuova
scheda controllore Fv2, colloquia col mondo esterno per mezzo dello strumento standard
attualmente più conveniente e diffuso, la rete Ethernet. La completa compatibilità con
qualsiasi rete preesistente è garantita dalla automatica adattabilità della Fv2 alla
comunicazione a differenti prestazioni, dipendente solo dalla rete Ethernet in cui il sistema è
inserito. La soluzione “embedded”, in cui è già risolta l’interazione tra ambiente utente e
periferiche hardware, si traduce in una completa trasparenza all’utente finale, dei dettagli
rappresentati dalla effettiva struttura interna della elettronica in uso. Il sistema esegue i suoi
compiti principali, acquisizione dati e controllo di apparecchiature, sempre con prestazioni
ottimali e a livelli tra i più alti quando confrontati con sistemi sviluppati “ad hoc” per
applicazioni in particolari settori come i grandi apparati per la sperimentazione in Fisica.
Fv2 troverà ovviamente ancora impiego in apparati per la Fisica sperimentale, ma anche in
tutta una serie di altre applicazioni, che finora non hanno beneficiato di strumenti di simile
potenza e livello qualitativo, quali, per esempio, quelle per il controllo ed acquisizione dati
negli impianti industriali, nella strumentazione medica (TAC, NMR, PET, etc.).
120
Programma 2002
Nel corso del 2002 si procederà al completamento del lavoro di aggiornamento del nucleo del
sistema FAIR sistema basato su VME verso la piattaforma LynxOS/PowerPC ed alla
implementazione di una analisi in linea con filtri, che permetta quindi di porre condizioni
sulla istogrammazione dei parametri. La nuova versione sarà immediatamente impiegata
nell’esperimento ERNA.
Nel secondo semestre avrà inizio il lavoro di ricerca e sviluppo relativo al progetto Fv2. Tale
progetto avrà una durata prevista di tre anni.
This activity has, in the last years, mainly been focused on a development line named FAIR (FAst Inter-crate
Readout). FAIR is a new trigger, readout and control system designed to be used in data acquisition system for
nuclear physics experiments. On the FAIR platform were developed, since 1997, the data acquisition systems of
the 8ðLP and GARFIELD apparatuses and SERPE experiment, at Laboratory Nazionali di Legnaro, LUNA
experiment, at Laboratori Nazionali del Gran Sasso, and ERNA experiment, at Dynamitron Tandem
Laboratorium, in Bochum – Germany.
In the 2001 has been completed the development of the disk data storing system. This system was installed in the
8ðLP apparatus. In the same year we started the upgrading of the VME part of current DAQ version. This part
was redesigned to port it from OS9/680X0 to the LynuxOS/PowerPC platform.
During the 2001 has been built the basis for a new research and development project named Fv2. Fv2 will be a
fully networked DAQ using Gigabit Ethernet for data transferring and event building and PCs for data
collecting.
Its main features will be:
1) High performances: the readout and the event building will be fast enough to allow acquiring data from
many front end crates also housing sampling ADCs (high data flow rate). The acquisition rate will up
to 180 Mbytes/sec per crate.
2) High scalability: it will represent a complete solution for systems of very different sizes and requirements
(from tens up to no intrinsic limit about the number of channels).
3) High flexibility: it will allow to put together, in the same system, any type of front end module and to
manage it by means of the same software and user interface.
4) Fully pipelined data acquisition: it will use multilevel FIFO for temporary buffering of data and it will
allow contemporary signal digitalization and data acquisition in a very natural way by means of the
original protocol.
2002 Program
During 2002 the upgrading of the VME to the LynuxOS/PowerPC platform will be completed. A “filtered” online analysis will also be implemented. This new version will be used by ERNA experiment. At the end of the year
the new project Fv2 will start.
121
BIOFISICA DELLE RADIAZIONI E FISICA SANITARIA
RADIOSENSIBILITÀ CELLULARE PER IRRAGGIAMENTO CON ADRONI
M. Durante, G. Gialanella, G. F. Grossi, M. Pugliese*, P. Scampoli
Attività 2001
L'impiego di fasci di ioni in radioterapia richiede la caratterizzazione del fascio terapeutico
con particolare riguardo agli ioni secondari prodotti a seguito della frammentazione del
proiettile e/o del bersaglio. Un'accurata misura della dose fisica, associata ad una precisa
valutazione di dose efficace, sono pre-requisiti di base per il successo di un trattamento
radioterapeutico mirato. Trattamenti di radioterapia con ioni carbonio sono già iniziati in
Giappone (Chiba) e Germania (Darmstadt), ed entro qualche anno saranno noti i risultati
clinici. Tuttavia, uno studio sistematico dell'efficacia biologica relativa (RBE) di fasci di
adroni, e in particolare di ioni carbonio, in correlazione con lo studio di fattori che possano
influenzare la risposta cellulare ad esposizione a radiazioni densamente ionizzanti, risulta di
particolare importanza per poter prevedere la risposta di tessuti sani e tumorali al trattamento,
al fine di ottimizzare i piani di trattamento stessi.
Nell'ambito del progetto ATER.BIOR dell’INFN, in collaborazione con i gruppi di Biofisica
delle radiazioni di Milano (Dipartimento di Fisica dell’Università), Roma (Laboratorio di
Fisica dell’Istituto Superiore di Sanità) e Legnaro (Laboratori Nazionali dell’INFN), sono
continuate le misure di inattivazione cellulare sulle quattro linee cellulari umane di diversa
radiosensibilità, due tumorali e due normali, a seguito di irraggiamento con fasci di ioni
carbonio di varie energie: 20 MeV/u presso l'acceleratore ALPI dei Laboratori Nazionali di
Legnaro ( http://www.lnl.infn.it ) e 135, 290 e 400 MeV/u presso l’acceleratore HIMAC del
National Institute for Radiological research (NIRS) di Chiba in Giappone (
http://www.nirs.go.jp ). Inoltre, presso l’acceleratore CS dei Laboratori Nazionali del Sud di
Catania ( http://www.lns.infn.it ) è stato caratterizzato, da un punto di vista radiobiofisico, il
fascio di ioni carbonio da 62 MeV/u.
Programma 2002
Saranno effettuate misure di inattivazione delle stesse linee cellulari in studio con fasci
monoenergetici di carbonio presso i LNS di Catania e fasci terapeutici presso il NIRS di
Chiba, allo scopo di completare lo studio dell’RBE in funzione del parametri radiobiofisici
individuati.
Characterisation of therapeutic beams is fundamental for the use of hadrons in radiotherapy. In particular, it is
crucial the study of secondary ions following projectile and/or target fragmentation. An accurate measurement
of the physical dose, together with a precise determination of the effective dose, is essential for a successful
radiotherapy treatment. However, a systematic study of hadron-beam RBE, correlated to the study of factors
that could influence cell response following irradiation with densely ionising radiation, is very important in
order to predict the response to the treatment of normal and tumour tissues. Heavy-ion therapy has already
started in Chiba (Japan) and Darmstadt (Germany), and clinical results will be available within the next few
years. However, there is a strong need for radiobiophysical experiments on carbon ions to better determine the
biological effectiveness as a function of radiation quality and to optimise the clinical use.
122
In the framework of the ATER.BIOR project of the INFN, in collaboration with other Italian Radiation
biophysics groups from the Physics Department of Milan University, the Italian National Institute of Health in
Roma, and the Legnaro National Laboratory of INFN (LNL), we continued inactivation measurements on four
normal and tumour human cell lines having different radiosensitivity. The cell lines were irradiated with carbon
ions characterised by various energies: 20 MeV/u, at the ALPI accelerator of LNL, and 135, 290 and 400 MeV/u
at the HIMAC accelerator of the National Institute for Radiological Research (NIRS), in Chiba (Japan). In
addition, a 62 MeV/u carbon ion beam at the CS accelerator of the Laboratori Nazionali del Sud (LNS) in
Catania was radiobiophysically characterised.
2002 Program
Cell inactivation measurements on the before mentioned four cell lines will be carried out at the LNS and NIRS
facilities using carbon monoenergetic beams and therapeutic beams, respectively. This aims at completing the
RBE study as a function of the given radiobiophysical parameters.
DOSIMETRIA BIOLOGICA IN RADIOTERAPIA
E DELLA RADIAZIONE NELLO SPAZIO
Attività 2001
Esistono molte metodologie per la misura della dose di radiazione assorbita da un individuo.
La dosimetria biologica è utile sia nei casi in cui non è nota da altre fonti la dose assorbita, sia
nei casi in cui la dose fisica può essere misurata, ma è importante conoscere la dose
accumulata, biologicamente rilevante. Poiché il DNA è il bersaglio critico della radiazione e i
danni al DNA vengono riparati con alta efficienza, i bio-indicatori basati sulla citogenetica
possono dare una misura della dose biologicamente rilevante. Scopo di questa linea di ricerca
è contribuire alla comprensione dei meccanismi che determinano la formazione delle
aberrazioni cromosomiche nei linfociti estratti da sangue periferico umano, al fine di
individuare un monitor che permetta la misura della dose di radiazione assorbita da un
individuo.
L’applicazione di questo approccio sperimentale in campo radioterapeutico è stata realizzata
conducendo esperimenti in vivo su pazienti trattati con raggi X presso il Dipartimento di
Scienze Biomorfologiche e Funzionali dell’Università di Napoli Federico II, misurando le
aberrazioni cromosomiche in linfociti del sangue periferico durante il trattamento
radioterapico per carcinoma mammario. Per la visualizzazione del danno citogenetico, è stata
utilizzata la tecnica di ibridizzazione in situ in fluorescenza (FISH) combinata con la
condensazione prematura dei cromosomi (PCC). I dati raccolti finora hanno dimostrato che il
trattamento con raggi X del carcinoma della mammella provoca un aumento della frequenza
di aberrazioni cromosomiche nei linfociti del sangue periferico umano
Il programma di dosimetria biologica è stato esteso all’analisi degli effetti indotti dalla
radiazione cosmica (ioni pesanti di alta energia) in presenza di schermatura e in condizioni di
microgravità, caratteristiche entrambi dei voli spaziali di media e lunga durata. Le particelle
che costituiscono la radiazione cosmica producono frammenti leggeri nell’interazione con i
nuclei del materiale usato per la schermatura. I prodotti di frammentazione (del bersaglio e
del proiettile) penetrano all’interno della navicella e colpiscono gli equipaggi. Esistono
pochissime misure dirette dell’effetto della schermatura sul danno biologico. Per tale studio,
finanziato dall’ASI, svolto in collaborazione con i gruppi teorici e sperimentali della NASA,
123
sono state condotte misure in vitro irraggiando, con ioni ferro, linfociti di sangue periferico,
con e senza schermature di leucite e alluminio, all’energia di 500 e 200 MeV/u presso
l’HIMAC del NIRS di Chiba, Giappone ( http://www.nirs.go.jp ), e di 1 GeV/u presso l’AGS
del Brookhaven National Laboratory negli USA ( http://www.bnl.gov ). Inoltre, sono stati
analizzati in vivo campioni prelevati da astronauti prima e dopo il volo.
E’ iniziata un’analisi in vitro degli aspetti dovuti all’assenza di gravità coltivando linfociti,
irraggiati con raggi X, in speciali apparati che simulano l’assenza di gravità, per osservarne
l’influenza sulla riparazione del danno citogenetico radioindotto. Infine, come parte
applicativa, nell’ambito del progetto “La Fisica Sanitaria nella analisi di immagini in campo
biomedico: supporto operativo e nuovi sviluppi” finanziato con la legge n. 488, è in corso la
messa a punto della strumentazione necessaria al riconoscimento automatico delle immagini
cromosomiche, che permetterà la misura dei numerosi campioni necessari per utilizzare di
“routine” la dosimetria biologica.
Programma 2002
Per le applicazioni in radioterapia, la raccolta dei dati sarà estesa ad altri pazienti, sia per
confermare i risultati ottenuti sulla dipendenza della frequenza di aberrazioni radioindotte con
la dose assorbita, sia per individuare una correlazione con i dati clinici relativi all’induzione
di effetti collaterali sui tessuti sani.
Nel campo della radiazione di origine spaziale, al fine di sviluppare i modelli esistenti di
trasporto ed interazione con la materia biologica della tale radiazione e di misurare in modo
diretto l’effetto della schermatura su diversi sistemi biologici, verranno condotte ulteriori
irradiazioni sia all’HIMAC che all’AGS sempre con ioni ferro ma di energia più elevata e
schermature di differente materiale (piombo). Gli effetti della microgravità sulla riparazione
del danno cromosomico radiondotto saranno analizzati irraggiando i campioni, già studiati
con i raggi X, con protoni da 60 MeV presso i Laboratori del Sud di Catania.
Infine sarà sviluppato il software per il riconoscimento automatico delle aberrazioni
cromosomiche.
A variety of methodologies allows the measurement of the radiation dose absorbed by man. Biological dosimetry
is useful in the following cases: a) when the absorbed dose is not known from other sources; b) when the
physical dose can be measured but it is important to know the biologically relevant accumulated dose. When
considering irradiation, since DNA is the critical target and DNA damages can be repaired at a high efficiency,
bio-indicators based on cytogenetics can provide a measurement of the biologically relevant dose. Our research
line aims at elucidating the mechanisms causing chromosome aberrations in peripheral blood lymphocytes
(PBLs) in order to identify a probe leading to the measurement of the dose absorbed by an individual.
The implementation of such an experimental approach in the field of radiotherapy consisted in carrying out in
vivo experiments on X-ray-treated patients at the Biomorphological and Functional Science Department of the
University of Naples Federico II, in which chromosomal aberrations in PBLs were measured during breast
carcinoma radiotherapy treatment. The technique of Fluorescence In Situ Hybridisation (FISH) in combination
with that of Premature Condensed Chromosomes (PCC) was used for the analysis of the cytogenetic damage.
The biological dosimetry programme was also extended to the study of the effects induced by cosmic radiation
(high-energy heavy ions) in the presence of shielding and in microgravity conditions, which are both typical of
the long- and medium-term manned space flights. The particles contributing to cosmic radiation produce light
fragments as a consequence of their interaction with nuclei of the shielding materials. Fragmentation products
(both from the target and the projectile) penetrate the spacecraft hence irradiating the crew. At present a very
few direct measurements exist concerning the effects of the shielding on biological damage.
In the framework of this project, funded by ASI and performed in collaboration with experimental and
theoretical NASA groups, in vitro measurements were carried out irradiating PBLs with an iron ion beam of 500
124
and 200 MeV/u (HIMAC, National Institute for Radiological Sciences, Japan), and of 1GeV/u (AGS,
Brookhaven National Laboratory, US), in the presence and in the absence of lucite and aluminium shielding.
Finally, in the framework of our project: “Health Physics in the image analysis in biomedical field: operative
support and new developments” (funded by L. n. 488), a dedicated system for automatic chromosome image
recognition is being set up , which will allow the measurement of the huge number of samples that are required
by the routine use of biological dosimetry.
2002 Program
Concerning the radiotherapic applications, we shall focus on the analysis of the chromosome aberration data in
PBLs during treatment to assess the existence of a correlation with the clinical data relative to the normal tissue
side-effect induction.
On the field of space radiations, in order to develop existing models of transport and interaction of the space
radiation with biological matter and to study the direct measurement of the effects of shielding on different
biological samples, further irradiations will be performed, both at the HIMAC and the AGS. This will still
envisage iron ions, though of higher energy, and shielding of a different material, i. e. lead. The effects of a
modelled microgravity environment on the repair of radiation-induced chromosomal damage will be studied by
irradiating those samples that had already been examined following X-rays and with 60 MeV protons
irradiation at the LNS in Catania.
Finally, we aim at developing the software relative to the automatic system for chromosome aberration
recognition.
EFFETTI MOLECOLARI E CELLULARI DELLE RADIAZIONI NON IONIZZANTI
M. Durante, G. Gialanella, G. F. Grossi, M. Pugliese *, P. Scampoli
Attività 2001
Pur essendo l’energia associata alle microonde insufficiente a produrre alterazioni permanenti
di legami chimici nel materiale attraversato, il suo assorbimento, dovuto principalmente alla
polarizzazione per orientamento dei dipoli elettrici in esso contenuti, può produrre sensibili
aumenti di temperatura. Per esposizioni di sistemi biologici in vivo, si parla di effetti termici
quando la temperatura aumenta di qualche grado, il che dipende non solo dalle condizioni di
esposizione ma anche dalla termoregolazione del sistema, e di effetti non termici se la
temperatura non varia in modo apprezzabile. Mentre gli effetti termici delle microonde sono
ampiamente documentati e interpretati in termini di aumento di temperatura, poco o nulla si
sa sugli eventuali effetti non termici il cui studio è diventato interessante con la diffusione di
apparecchiature che, pur utilizzando microonde, hanno caratteristiche tali da produrre SAR
(Rateo di Assorbimento Specifico: SAR = d/dt(∆E/∆m)) generalmente inferiori al W/kg nei
sistemi biologici interessati.
Lo scorso anno è iniziato uno studio degli gli effetti non termici attraverso l’analisi
dell’eventuale citotossicità delle microonde in cellule umane esposte in vitro. Infatti, se pur
vanno escluse alterazioni permanenti di legami chimici e quindi effetti diretti su biomolecole
essenziali presenti nelle cellule, quali il DNA, non si possono invece eccettuare effetti
epigenetici tali da alterare i normali processi metabolici cellulari. In particolare, si può
formulare l’ipotesi che alterazioni del DNA, generatesi spontaneamente durante la sua
replicazione o prodotte da agenti diversi dalle microonde, non siano riparate con la stessa
efficienza per l’interazione del campo elettromagnetico con i processi di riparazione
attraverso meccanismi non ancora noti.
125
In questo ambito, in collaborazione con il Laboratorio di Microonde del Dipartimento di
Ingegneria Elettronica dell’Università di Napoli Federico II, due serie di campioni di linfociti
umani di sangue periferico sono state esposte a microonde (da 1.748 GHz e SAR dell'ordine
di 1 W/kg) attraverso un sistema costituito da una cavità risonante in guida d’onda
rettangolare. Gli eventuali effetti citotossici sono stati studiati attraverso l’analisi delle
aberrazioni cromosomiche, ottenendo risultati preliminari, ma significativi, che
escluderebbero un effetto citotossico correlato all’esposizione.
Programma 2002
Sulla base dei risultati ottenuti, si estenderà lo studio a campioni provenienti da almeno dieci
diversi donatori. In particolare, linfociti umani di sangue periferico saranno esposti a
microonde in condizioni tali da poter controllare accuratamente i principali parametri
caratterizzanti l’esposizione (campo elettromagnetico, SAR, temperatura, tempo, …). Saranno
esposti sia linfociti non trattati, per l’analisi di eventuali effetti diretti, sia linfociti
precedentemente irraggiati con radiazioni ionizzanti per lo studio dell’influenza delle
microonde sui processi di riparazione dei danni radioindotti. Gli eventuali effetti citotossici
saranno studiati ancora attraverso l’analisi delle aberrazioni cromosomiche.
Although microwave-related energy is not enough to permanently alter the chemical bonds of the traversed
medium, microwave absorption, due mainly to orientation-directed polarisation of the chemical dipoles it
contains, can lead to conspicuous temperature increases. When dealing with exposure of biological systems in
vivo, thermal effects occur when the temperature rises by a few degrees, which depends not only upon the
exposure conditions, but also upon the system thermoregulation, whereas non-thermal effects relate to nonappreciable variations in temperature. Microwave thermal effects on biological systems are widely documented.
However, a very few data exist on possible non-thermal effects, whose study has become of great concern given
the widespread diffusion of equipment that, despite using microwaves, are characterised by very low SAR
(Specific Absorption Rate: SAR = d/dt(∆E/∆m)), that is generally below 1 W/kg in the biological systems of
interest.
We started to investigate the non-thermal effects of microwaves. Our aim is the analysis of the possible toxicity
in human cells after in vitro exposure. Indeed, microwave epigenetic effects altering metabolic processes cannot
be excluded, even though permanent alteration of chemical bounds, and hence direct effects on cell biomolecules (for example DNA), can be excluded. In particular, we can hypothesise that DNA alterations, either
spontaneous or induced by microwaves, will not be repaired at the usual efficiency because of the interaction of
the electromagnetic field with repair mechanism through not yet known processes.
To verify this hypothesis, human lymphocytes were exposed in a resonant cavity to microwaves of 1748 GHz and
SAR 1 W/kg in collaboration with the Microwave Laboratory at the Electronic Engineering Department of the
University of Naples Federico II. Cytotoxic effects have been studied analysing chromosome aberrations
(dicentrics and acentric fragments) in lymphocyte cultures. Preliminary data, also if not yet statistically
significant, do not show effects.
2002 Program
On the basis of the results so far obtained, we shall study the effects of microwave exposure of human
lymphocytes from at least ten donors and, for a given donor, the dependence of the effect under study as a
function of exposure parameters, such as the type of electromagnetic signal, SAR, temperature, time and the
total absorbed energy. Some of the exposed samples will be pre-irradiated with ionising radiation to study the
effects of microwave on repair mechanisms of radio-induced damage. Non-irradiated samples will permit the
study of direct effects of microwave. Possible cytotoxic effects will be assessed again through chromosome
aberration analysis.
126
Pubblicazioni 2001
1) P. Scampoli, M. Casale, M. Durante, G. F. Grossi, M. Pugliese, G. Gialanella. Low-energy light ion
irradiation beam-line for radiobiological studies. Nucl. Instrum. Meth. B 174, 337-343 (2001)
2) L. Stronati, M. Durante, G. Gensabella, G. Gialanella, G. F. Grossi, M. Pugliese, P. Scampoli, A. Sgura, A.
Testa and C. Tanzarella. Calibration curves for biological dosymetry by fluorescence in situ hybridization.
Radiat. Prot. Dosim. 94, 335-346 (2001)
3) R. D. Esposito, M. Durante, G. Gialanella, G. F. Grossi, M. Pugliese, P. Scampoli, T. D. Jones. On the
radiosensitivity of man in space. Adv. Space Res. 27, 345-354 (2001)
4) P. Scampoli, M. Casale, M. Durante, G. F. Grossi, M. Pugliese and G. Gialanella. Cell inactivation by
Beryllium, Boron and Carbon ions at the low-energy irradiation facility of the Naples University. Physica
Medica 17, S141-142 (2001)
5) R. D. Esposito, M. Durante, G. Gialanella, G. F. Grossi, M. Pugliese, P. Scampoli and T. D. Jones. A model
of radiation-induced myelopoiesis in space. Physica Medica 17, S181-182 (2001)
6) G. Palumbo, L. Varriale, V. Paba, A. Sasso, E. Crescenzi, G. Gialanella, G. F. Grossi, M. Pugliese, P.
Scampoli. Effect of space radiation on expression of apoptosis-related genes in endometrial cells (a
preliminary study). Physica Medica 17, S241-246 (2001)
7) F. Antonelli, D. Bettega, P. Calzolari, R. Cherubini, M. Dalla Vecchia, M. Durante, S. Favaretto, G. F.
Grossi, R. Marchesini, M. Pugliese, P. Scampoli, et al.. Inactivation of human cells exposed to fractionated
doses of low-energy protons: relationship between cell sensitivity and recovery efficiency. J. Rad. Res. 42,
347-359 (2001)
8) T. Kawata, M .Durante, Y. Furusawa, K. George, N. Takai, H.-L. Wu, and F. A Cucinotta. Dose-response of
initial G2-chromatid breaks induced in normal human fibroblasts by heavy ions. Int. J. Radiat. Biol. 77, 165174 (2001)
9) M. Durante. Influence of the shielding on the space radiation biological effectiveness. Physica Medica 17,
S269-271 (2001).
10) T. Kawata, E. Gotoh, M. Durante, H.-L. Wu, K. George, Y. Furusawa, and F. A. Cucinotta. High-LET
radiation-induced aberrations in prematurely condensed G2-chromosomes. Physica Medica 17, S226-228
(2001).
11) H.-L. Wu, M. Durante and J. N. Lucas. Relationship between radiation-induced aberrations in individual
chromosomes and their DNA content: effects of interaction distance. Int. J. Radiat. Biol. 77, 781-786 (2001).
12) T. Kawata, M. Durante, Y. Furusawa, K. George, H. Ito, H.-L. Wu and F. A.Cucinotta. G2-chromosome
aberrations induced by high-LET radiation. Adv. Space Res. 27, 383-391 (2001).
13) H.-L. Wu and M. Durante. A biophysical model for estimating the frequency of radiation-induced mutations
resulting from chromosomal translocations. Adv. Space Res. 27, 361-367 (2001).
14) M. Durante, S. Bonassi, K. George and F. A. Cucinotta. Risk estimation based on chromosomal aberrations
induced by radiation. Radiat. Res. 156, 662-667 (2001).
15) T. Kawata, M. Durante, Y. Furusawa, K. George, H. Ito, H.-L. Wu and F. A. Cucinotta. Rejoining of heavyion induced isochromatid breaks in G2-chromosomes in normal human fibroblasts. Radiat. Res. 156, 598602 (2001).
16) K. George, M. Durante, H.-L. Wu, V. Willingham, G. Badhwar and F. A. Cucinotta. Chromosome
aberrations in the blood lymphocytes of astronauts after space flight. Radiat. Res. 156, 731-738 (2001).
17) T. Kawata, H. Ito, M. Durante, K. George and H. Wu. Heavy-ion induced chromatid break and repair
kinetics in normal human fibroblasts. Biol. Sci. Space 15, 276-277 (2001).
18) G. F. Grossi, on behalf of ATER Collaboration. Carbon ion relative biological effectiveness for normal and
tumour human cell lines. Forty-eighth Annual Meeting of the Radiation Research Society (San Juan, April
21st–25th, 2001).
127
19) G. d’Ambrosio, M. Durante, G. Gialanella, G. Grossi, A. Liccardi, R. Massa, R. Nigro. Influence of
microwaves on DNA repair processes. Twenty-third Annual Meeting of the Bioelectromagnetic Society (St.
Paul, MN, USA June 10th–14th, 2001).
20) G. F. Grossi, on behalf of ATER-INFN Collaboration. Relative biological effectiveness of monoenergetic
and therapeutical accelerated carbon beams. European Radiation Research 2001 Meeting (Dresden,
September 1st–5th, 2001).
21) G. F. Grossi, M. Durante, G. Gialanella, M. Pugliese, P. Scampoli. Space radiation shielding: relative
biological effectiveness for the induction of cytogenetic damage. European Radiation Research 2001
Meeting (Dresden, September 1st–5th, 2001).
22) V. D’alesio, M. Durante, G. F. Grossi, G. Gialanella, M. Pugliese, I. Sardi, P. Scampoli, R. Pacelli.
Biological dosimetry by interphase chromosome painting in breast cancer patients treated with
radiotherapy. European Radiation Research 2001 Meeting (Dresden, September 1st–5th, 2001).
23) G. d’Ambrosio, M. Durante, G. Gialanella, G. F. Grossi, A. Liccardi, R. Massa, R. Nigro. DNA repair
processes following γ-ray and microwave exposure. 8th International Conference on Microwave and High
Frequency Heating (Bayreuth. September 2nd-4th, 2001).
24) G. d’Ambrosio, M. Durante, G. Gialanella, G. Grossi, R. Massa, R. Nigro. Lack of clastogenic effects in
human lymphocytes following 1.748 GHz, 2 W/Kg microwave exposures. 5th International Congress of the
European BioElectromagnetics Association, (Helsinki, September 6th–8th, 2001).
128
INTEGRAZIONE DI IMMAGINI E PIANI DI TRATTAMENTO IN
RADIOTERAPIA
Attività 2001
Nell’ambito del Progetto “La Fisica Sanitaria nella analisi di immagini in campo biomedico:
supporto operativo e nuovi sviluppi” finanziato con la legge n. 488, è continuata l’attività
progettuale e di acquisizione delle apparecchiature e delle competenze necessarie per il
trasferimento in rete, la gestione e l’analisi di immagini, in collaborazione con il Servizio di
Radioterapia del Policlinico dell’Università di Napoli Federico II per i piani di trattamento e i
controlli di qualità e con il Servizio di Fisica Sanitaria dell’Istituto Scientifico Universitario S.
Raffaele di Milano al fine della integrazione di immagini multimodali per l’ottimizzazione
della radioterapia. A questo progetto collaborano anche il Dipartimento di Scienze
Biomorfologiche e Funzionali e il Centro di servizi di Radioprotezione e Fisica Sanitaria
(CRAFS) dell’Università di Napoli Federico II.
Programma 2002
L’attività proseguirà secondo le seguenti linee:
- Integrazione tra immagini diagnostiche per l’ottimizzazione della radioterapia delle
neoplasie del polmone e della mammella, con la finalità di valutare la tossicità del trattamento
radiante nei casi di tumore del polmone e della mammella per garantire un migliore controllo
locale della malattia.
- Utilizzazione delle immagini multimodali, ottenute tramite CT, PET e SPECT, ai fini dei
piani di trattamento radioterapici.
In the framework of the project: ”Health Physics in image analysis in biomedical field: operative support and
new developments” (funded by L. n. 488), we are continuing to acquire the equipment and the expertise
necessary for analysis, management and network-based transmission of images, in collaboration with the
Radiotherapy Laboratory of the University of Naples Federico II dedicated to treatment planning and quality
control, and with the Health Physics Laboratory of the Istituto Scientifico Universitario S. Raffaele in Milan for
diagnostic image integration devoted to radiotherapy optimisation. All these activities are carried out in
collaboration with the Department of Biomorphologic and Functional Sciences and CRAFS (Centre for
Radioprotection and Health Physics) of the University of Naples Federico II.
2002 Program
Activities will proceed according to the following scheme:
- Diagnostic image integration for radiotherapy optimisation, particularly in the case of breast and lung cancer.
This will also allow the evaluation of the toxicity of radiant treatments in order to assure a better local control
of the tumour.
- Treatment planning performed through multimodality-based images, obtained by CT, PET and SPECT, in
adherence to the scopes of the radiotherapy treatment plans.
129
130
FISICA SUBNUCLEARE
(Responsabile della Sezione: Prof. Sergio Catalanotti)
131
132
FISICA DELLE PARTICELLE ELEMENTARI CON ACCELERATORI
STUDIO DELLE INTERAZIONI ELETTRONE-POSITRONE
PRESSO L'ANELLO DI ACCUMULAZIONE LEP DEL CERN
(ESPERIMENTO L3)
A. Aloisio*, M. G. Alviggi, M. Biglietti, G. P. Carlino*, N. Cavallo*, G. Chiefari, F. Conventi*,
R. De Asmundis*, M. Della Pietra*, D.Della Volpe* , A.Doria*, L. Lista*, L. Merola, S.Mele*,
M. Napolitano, P. Paolucci*, S. Patricelli, D. Piccolo*, C. Sciacca
Attività 2001
L'esperimento L3 al LEP (Large Electron Positron Collider) del CERN ha concluso nel
novembre del 2000 una lunga campagna di raccolta dati iniziata nel 1989. Ha investigato nel
corso degli anni le interazioni elettrone-positrone ad energie nel centro di massa sempre
crescenti a partire da 91 fino a 209 GeV. Nella prima fase (1989-1995) il collisore ha operato
all'energia di produzione del bosone Z (91 GeV), il che ha permesso di accumulare una
statistica di oltre cinque milioni di eventi di Z e di studiare con grande precisione i parametri
fondamentali della fisica elettrodebole. Successivamente l'energia è stata progressivamente
innalzata: 130-140 GeV nel 1995 e 161-172 GeV (oltre la soglia di produzione di coppie
W+W-) nel 1996. Energie e luminosita' integrate sempre piu' elevate sono state raggiunte nel
1997 (55 pb-1 a 183 GeV) allorché è stata raggiunta la soglia di produzione di coppie di
bosoni Z, nel 1998 (176 pb-1 a 189 GeV), nel 1999 quando per la prima volta un collisore di
elettroni e positroni ha raggiunto e superato i 200 GeV di energia nel centro di massa (232
pb-1 tra 192GeV e 202GeV) ed infine nel 2000, ultimo anno di funzionamento della
macchina quando l’energia e` stata innalzata fino a 209 GeV nel centro di massa raccogliendo
un totale di 215pb-1 di luminosita` ad energie superiori a 205 GeV. La motivazione
principale del raggiungimento di energie sempre più elevate risiede nel tentativo di trovare
evidenza sperimentale dell'esistenza del bosone di Higgs, tuttora non ancora osservato, ma
che riveste un ruolo cruciale nella spiegazione del meccanismo di rottura spontanea della
simmetria elettrodebole. I dati raccolti hanno fornito conferme di alta precisione della Fisica
del Modello Standard; non sono state rivelate nuove particelle né sono stati osservati segnali
di nuova fisica. La ricerca del o dei bosoni di Higgs ha fornito qualche candidato con una
massa di circa 115 GeV, che ha solo consentito di porre un limite inferiore di circa 113 GeV
sulla massa dell’Higgs scalare neutro previsto nel Modello Standard con il 95% di livello di
confidenza.
Nell'ambito dell'esperimento L3 il gruppo di Napoli ha partecipato alla costruzione dello
spettrometro per muoni realizzando il piano piu' interno di camere a deriva dello spettrometro,
l'elettronica di lettura delle camere per la misura della coordinata lungo i fasci ed ha
sviluppato l'hardware e il software necessari per i sistemi di controllo dello spettrometro. Ha
inoltre partecipato al progetto di 'upgrade' dello spettrometro, realizzato per la fase 2 di LEP,
al fine di aumentare la copertura angolare nella rivelazione dei muoni nelle regioni
avanti/indietro(fino a 21 gradi rispetto ai fasci). E' stato responsabile della realizzazione di un
sistema di 600 m2 di RPC (Resistive Plate Counters), rivelatori ad ottima risoluzione
temporale (2 ns) utilizzati per la generazione del trigger e di tutta l'elettronica per il sistema di
trigger (dal front-end al processore per la ricerca di tracce puntanti al vertice di interazione).
Lo spettrometro per muoni nelle regioni avanti/indietro ha funzionato con le prestazioni attese
di fisica durante tutti i run di LEP1 e LEP2.
133
Durante il 2001 l'attivita` del gruppo si è concentrata sull'analisi dei dati secondo tre direttrici
principali:
a) misura della sezione d'urto della produzione di coppie di bosoni Z. Questo processo
riveste un’ importanza particolare in relazione alla ricerca del bosone di Higgs, di cui
costuisce un fondo irriducibile.
b) studio di processi rari e accoppiamenti di bosoni di gauge. Ciò ha permesso di porre i
piu' stringenti limiti sperimentali su accoppiamenti quartici anomali tra bosoni di
gauge.
c) interpretazione dei risultati conseguiti dalla collaborazione in varie aree, dalla
produzione di coppie di bosoni neutri o carichi a quella di fermioni, nell'ottica di
nuove teorie che predicono nuove dimensioni spaziali in aggiunta a quelle ordinarie.
Queste dimensioni sono necessarie per la propagazione di gravitoni, che medino
l'interazione gravitazionale alla scala del Modello Standard e consentono la soluzione
banale del cosiddetto problema della gerarchia.
Nel corso del 2001 l'apparato sperimentale è stato smontato per lasciare posto ad un rivelatore
per la prossima macchina acceleratrice del CERN, l’LHC.
Programma 2002-2003
La collaborazione L3 continuerà l’analisi finale dei dati raccolti al LEP. Il gruppo di Napoli è
coinvolto nelle analisi sopra descritte ed un suo ricercatore (S. Mele) ha la responsabilita`
della coordinazione di tutta l’analisi dati dell’esperimento e della procedura di pubblicazione
dei risultati.
The Naples group participates in the L3 experiment at LEP (Large Electron Positron Collider) at CERN, in
collaboration with Firenze, Perugia, Roma and Milano universities and many european and non-european
institutions. L3 is one of the 4 experiments installed along the LEP electron positron storage ring at CERN
(Geneva).
After phase I, started in 1989, where LEP operated at around 91 GeV, near the Z resonance, new energy
regimes were reached in the following years: 130-140 GeV was reached in 1995, 161 (just above the threshold
for W pair production) and 172 GeV in 1996, 183 GeV (55 pb^-1) in 1997 and 189 GeV (176 pb^-1) in 1998,
which are just above the threshold for Z pair production and 192-202 GeV (232 pb^-1). In 1999 200 GeV were
reached (232 pb-1 between 192GeV and 202GeV) and last in 2000 we went up to 209 GeV with 215 pb-1 at
energies above 205 GeV.
The main physics motivation for higher energies is the search for Higgs boson, which plays a crucial role in the
predicted mechanism of Electroweak symmetry breaking.
A few events compatible with a Higgs boson were found, with a mass of about 115 GeV/c2 at 2.7 standard
deviations from the hypothesis of background.
This also puts a lower limit to the Higgs mass of about 113.2 GeV/c2 at 95% CL.
Other important objectives are: precision tests of the Standard Model of electroweak interactions, precise
determination of Z and W parameters, search for new particles and for signals of new Physics beyond the S.M.
The Naples group participated in the muon spectrometer project, taking care of the inner layer of the drift
chambers, the readout electronics for the Z chambers and the monitoring and control hardware and software
systems of the spectrometer. The group has also taken part in the upgrade of the spectrometer, as planned for
LEP phase II, in order to increase the angular coverage for muon detection at small angles. It has taken the
responsibility for the construction of 600 m^2 of RPC (Resistive Plate Counters), which are high time resolution
(2 ns) detectors dedicated to the trigger generation and has also implemented the electronics from the front-end
up to the track finder. The small angle spectrometer has successfully operated in LEP1 and LEP2 data taking.
134
At the beginnig of 2001 all LEP experiments have been dismantled in order to start engineering works for the
new accelerator CERN program: the LHC (Large Hadron Collider) proton-proton collider which will start in
2006.
During 2001 analysis has been performed according to three main objectives:
a) Z boson pair cross section measurement. This is important for Higgs boson searches, as it is a sort of
irreducible background.
b) Rare decays and gauge boson anomalous couplings studies.
c) Interpretation of the LEP results in terms of new models involving extra-dimensions; they are intimately
correlated to the propagation of gravitons and may help understanding the hierarchy problem in Standard
model.
2002-2003 Program
L3 Collaboration will continue final analyses of LEP data. collaborazione L3 continuerà l’analisi finale dei dati
raccolti al LEP. The Naples group (S. Mele) is responsible for the coordination of a large part of the current L3
analysis and of publication of the results.
Pubblicazioni 2001
1. L3 Collaboration, Achard P. et al "Study of the W+ W- gamma Process and Limits on Anomalous Quartic
Gauge Boson Couplings at LEP" Phys. Lett., B : 527 (2002) , pp.29-38
2. L3 Collaboration, Achard P. et al "f_1(1285) Formation in Two-Photon Collisions at LEP" Phys. Lett., B :
526 (2002) , pp.269-277
3. L3 Collaboration, Achard P. et al "Search for R-parity Violating Decays of Supersymmetric Particles in e+ e
Collisions at LEP" Phys. Lett., B : 524 (2002) , pp.65-80
4. L3 Collaboration, Achard P. et al "Bose-Einstein Correlations of Neutral and Charged Pions in Hadronic Z
Decays" Phys. Lett., B : 524 (2002) , pp.55-64
5. L3 Collaboration, Achard P. et al "Measurement of the Topological Branching Fractions of the tau lepton at
LEP" Phys. Lett., B : 519 (2001) , pp.189-198
6. L3 Collaboration, Achard P. et al "Standard Model Higgs Boson with the L3 Experiment at LEP" Phys. Lett.,
B : 517 (2001) , pp.319-331
7. L3 Collaboration, Achard P. et al "Search for Heavy Neutral and Charged Leptons in e+ e Annihilation at
LEP" Phys. Lett., B : 517 (2001) , pp.75-85
8. L3 Collaboration, Achard P. et al "Search for Heavy Isosinglet Neutrino in e+ e Annihilation at LEP" Phys.
Lett., B : 517 (2001) , pp.67-74
9. L3 Collaboration, Acciarri M. et al "Total Cross Section in gamma gamma Collisions at LEP" Phys. Lett., B
: 519 (2001) , pp.33-45
10. L3 Collaboration, Acciarri M. et al "Measurement of the Tau Branching Fractions into Leptons" Phys. Lett.,
B : 507 (2001) , pp.47-60
11. L3 Collaboration, Acciarri M. et al "Study of the e+ e to Z gamma gamma to q qbar gamma gamma Process
at LEP" Phys. Lett., B : 505 (2001) , pp.47-58
12. L3 Collaboration, Acciarri M. et al "Search for the Standard Model Higgs boson in e+ e collisions at sqrt{s}
up to 202 GeV" Phys. Lett., B : 508 (2001) , pp.225-236
13. L3 Collaboration, Acciarri M. et al "Search for Neutral Higgs Bosons of the Minimal Supersymmetric
Standard Model in e+ e Interactions at sqrt{s}=192-202 GeV" Phys. Lett., B : 503 (2001) , pp.21-33
14. L3 Collaboration, Acciarri M. et al "Measurements of the Cross Sections for Open Charm and Beauty
Production in gamma gamma Collisions at sqrt{s} = 189-202 GeV" Phys. Lett., B : 503 (2001) , pp.10-20
15. L3 Collaboration, Acciarri M. et al "Search for Excited Leptons in e+ e Interactions at sqrt{s}=192 - 202
GeV" Phys. Lett., B : 502 (2001) , pp.37-50
16. L3 Collaboration, Acciarri M. et al "K0_S K0_S Final State in Two-Photon Collisions and Implications for
Glueballs" Phys. Lett., B : 501 (2001) , pp.173-182
17. L3 Collaboration, Acciarri M. et al "Search for R-parity Violating Decays of Supersymmetric Particles in e+
e Collisions at sqrt{s}= 189 GeV" Eur. Phys. J., C : 19 (2001) , pp.397-414
18. L3 Collaboration, Acciarri M. et al "Light Resonances in K0_S K π and eta π+ π final states in gamma
gamma collisions at LEP" Phys. Lett., B : 501 (2001) , pp.1-11
19. L3 Collaboration, Acciarri M. et al "Study of Z Boson Pair Production in e+ e Interactions at sqrt{s} = 192202 GeV" Phys. Lett., B : 497 (2001) , pp.23-38
135
STUDIO DELLE INTERAZIONI PROTONE-PROTONE AD ALTISSIMA ENERGIA
PRESSO IL LARGE HADRON COLLIDER (LHC) DEL CERN
(ESPERIMENTO ATLAS)
A. Aloisio*, M.G. Alviggi, E. Biglietti, V. Canale, M. Caprio, G. Carlino*, F. Cevenini, F. Conventi,
R. De Asmundis*,, M. Della Pietra, D. Della Volpe*, A. Doria*, P. Iengo, L. Merola, S. Patricelli,
G. Sehkniaidze*
Attività 2001-02
ATLAS è un esperimento approvato dal CERN, basato su una vasta collaborazione
internazionale, che si svolgerà presso l’LHC (Large Hadron Collider) e che permetterà di
studiare le interazioni protone-protone all’energia di 7 + 7 TeV nel centro di massa.
L’esperimento, attualmente in fase di costruzione, è stato progettato per sfruttare al meglio
l’enorme potenziale di scoperte accessibili con questo nuovo acceleratore. Sarà possibile
verificare l’esistenza del Bosone di Higgs fino alle più elevate masse sia nell’ambito del MS
(Modello Standard) che del MSSM (Modello Standard Supersimmetrico Minimale), studiare
a fondo le proprietà del quark top, la violazione di CP nel sistema dei Bo, la ricerca di
particelle supersimmetriche ed eventuali segnali di fisica oltre il Modello Standard (nuovi
bosoni vettori, struttura interna di quark e leptoni, leptoquarks, etc….). Il primo run di presa
data è previsto nel 2007 ad una luminosità dell’ordine di 1033 cm-2s-1.
La luminosità massima di progetto della macchina (1034 cm-2s-1) con interazioni ogni 25 ns,
ha comportato la realizzazione di rivelatori al limite delle attuali possibilità tecnologiche. Il
gruppo di Napoli contribuisce, in collaborazione con le Università di Lecce e Roma “Tor
Vergata”, alla realizzazione dei rivelatori RPC per il sistema di trigger dello spettrometro a
grande angolo (barrel) per la rivelazione dei muoni.
Il sistema è costituito da circa 3.500 mq di rivelatori ognuno costituito da una doppia gap di
gas e due piani di elettrodi di lettura a forma di strisce disposte in direzione ortogonali per un
totale di oltre 400.000 canali di lettura digitale. Esso permetterà di ottenere una risoluzione
temporale di pochi ns ed una risoluzione spaziale dell’ordine del cm e quindi di generare un
segnale di trigger per particelle provenienti dal vertice di interazione con la possibilità di
selezionarne l’impulso. Per permetterne il funzionamento efficiente anche agli elevati rate di
conteggio previsti nella sala sperimentale del LHC i rivelatori funzioneranno in regime
proporzionale in cui la carica raccolta per ogni evento di ionizzazione è bassa (1 pC). Il
gruppo di Napoli ha la responsabilità della realizzazione dei rivelatori delle stazioni di trigger
a basso impulso trasverso (5 GeV/c), del sistema di lettura dei dati attraverso un link ad alta
velocità di tutti i canali di elettronica e della scrittura del software di simulazione del trigger
di primo livello. Nel corso dell’ultimo anno è stata anche avviata un’attività software relativa
alla ricostruzione delle tracce di µ nel rivelatore in linguaggio OO/C++.
La realizzazione del sistema richiede la costruzione di circa 1.100 unità meccanicamente
indipendenti. I volumi di gas e gli elettrodi di lettura sono prodotti dall’industria;
analogamente per le schede di elettronica di Front-End che sono montate all’interno della
struttura meccanica dei rivelatori. Nella seconda metà del 2001 è stato necessario migliorare
l’automazione dei processi ed i controlli di qualità nella produzione presso l’industria dei
volumi di gas a causa di difetti che sono stati riscontrati nella produzione di rivelatori
analoghi per l’esperimento BaBar. E’ stata completata la produzione delle prime 24 unità
finali ed alcune di esse sono state caratterizzate con raggi cosmici nella stazione di test,
136
pienamente operativa, del nostro laboratorio. Tutti le caratteristiche dei componenti
costituenti una unità vengono inserite nel database di produzione, sviluppato dal nostro
gruppo.
A causa degli elevati costi di produzione del link ottico parallelo basato su chipset PAROLI
testato in precedenza è stato necessario sviluppare un nuovo sistema di trasmissione basato
sul chipset G-link compatibile con il precedente. E’ stato completato uno studio di fattibilità
del concentratore ottico, cioè di una scheda VME64X che ha la funzione di ricevere i dati dal
link ottico, di riorganizzarli e di trasmetterli, attraverso un backplane custom al Read Out
Driver collegato, a sua volta ai processori del secondo livello di trigger.
Nell’ambito delle attività di software e computing è proseguita la collaborazione con il
gruppo di Roma1 per lo studio e la simulazione ad alta statistica degli algritmi del trigger
muonico di primo livello. Con i gruppi di Roma3 e Lecce si è iniziato lo sviluppo del codice
di ricostruzione delle tracce di µ in ATLAS. In particolare il gruppo di Napoli:
1) si e' occupato del continuo aggiornamento della corretta descrizione del layout
sperimentale degli RPC, rivelatori sui quali si basa il trigger muonico, al fine di
ottimizzare le efficienza del trigger a basso ed alto impulso trasverso.
2) ha partecipato alla progettazione e alla scrittura del nuovo codice di simulazione del
trigger muonico di primo livello in linguaggio OO/C++.
3) ha realizzato una Farm di calcolo locale quale prototipo di Tier-3 secondo il modello di
calcolo a struttura gerarchica adottato dalle collaborazioni LHC.
Programma 2002-03
Nella seconda metà del 2002 e nel 2003 il gruppo di Napoli porterà avanti le seguenti
attività:
1) Proseguimento della produzione di massa di tutti i rivelatori e certificazione della loro
qualità mediante test con i raggi cosmici.
2) Inizio dell’assemblaggio al CERN degli RPC con le camere di tracciamento di precisione
(MDT).
3) Definizione del progetto finale del sistema di gas per gli RPC che, negli ultimi mesi, è
stato assunto come responsabilità del gruppo.
4) Progetto finale del concentratore ottico e pre-produzione dei primi 50+50 link ottici.
5) Continuazione degli studi di simulazione del trigger di primo livello dei muoni e sua
riscrittura in linguaggio OO/C++, scrittura del software ricostruzione negli RPC e di
calibrazione.
6) Partecipazione, attraverso l’uso della Farm di Tier-3, al Data Challenge 1 di ATLAS,
ossia al primo test di funzionamento reale del modello di calcolo worldwide scelto per gli
esperimenti LHC e basato su concetto di GRID.
2001-02 Activities
ATLAS is an experiment approved by CERN, based on a worldwide collaboration, that will run at the LHC
(Large Hadron Collider) and allow to study proton-proton interactions at 7 + 7 TeV in the center of mass
system. The experiment, now under construction, has been designed to cope with the enormous discovery
potential that will be accessible by this new accelerator. It will be possible to discover the Higgs Boson up to
137
highest masses in the SM (Standard Model) and in the MSSM (Minimal Supersymmetric Standard Model), study
the properties of the top quark, CP violation in the Bo system, search for supersymmetric particles and possible
signals for physics beyond the Standard Model (new vector bosons, quark and lepton compositness, leptoquarks,
etc.). The first physic run is now foreseen in 2007 at a luminosity of 1033 cm-2s-1.
The maximum machine luminosity (1034 cm-2s-1) with interactions every 25 ns, requires the use of detectors at
the limit of today’s technological possibilities. The Naples group will contribute, in collaboration with the
Universities of Lecce and Rome “Tor Vergata” to the construction of the RPC detectors for the trigger system of
the barrel muon spectrometer.
The system will have roughly 3.500 sqm of detectors built with two gas gaps, each equipped with two planes of
strips readout electrodes in orthogonal directions with more than 400.000 digital readout channels. It will allow
a time resolution of few ns and a space resolution of the order of one cm and generate a trigger signal for
particles originating from the interaction point with the possibility to select their momentum. RPCs will work in
proportional mode with low detected charge (1pC) to allow the efficient performance also at the high counting
rates foreseen in the LHC cavern. The Naples group has the responsibility to construct the detectors for the lowpt (5 GeV/c) trigger stations, of the data read-out system for all electronic channels via a fast link and of part of
the software for the simulation of the first level trigger system. During last year we also started a software
activity on µ tracks reconstruction in the detector in OO/C++ programming language.
The full system will require the construction of more than 1.100 mechanically independent units. Gas volumes
and readout electrodes are produced by industry, as well as Front-End electronics printed circuit boards which
are mounted inside the detector mechanical structure. In the second half of 2001 it was necessary to improve
automation an quality controls in the industrial production process due to some defects in similar detectors
which had been constructed for the BaBar experiment. The first 24 units have been completed and some of them
have been tested in the cosmic rays test station which is now fully operational in our laboratory. All
characteristics of components used to assemble units are inserted in a production database which has been
developed by our group.
Due to high production costs of the parallel optical link based on the PAROLI chipset which had been
previously tested, a new transmission system based on the G-link chipset has been developed. This new system is
fully compatible with the previous one. We also demonstrated the feasibility to build an optical concentrator, i.e.
a VME64X based board that will receive data from the optical link, organize them and send them via a custom
backplane to the Read Out Driver, connected to the second level trigger processors.
On software and computing activities we continued to collaborate with the Rome1 group to study level 1 muon
trigger alghoritms with high statistic samples. With the Rome3 and Lecce groups the development of the
reconstruction code for µ reconstruction in ATLAS using OO/C++ programming language has started. The
Naples group has:
been responsible for the continuous upgrade of the RPC detector layout description in order to
optimize trigger efficiencies at low and high pT.
started the OO/C++ code production for the trigger simulation program
set-up a local computing farm as Tier3 prototype, according to the worldwide distributed computing
model adopted by LHC collaborations.
2002-03 Program
During the second half of 2002 and during 2003 the group will:
1) Continue the mass production of all detectors and their quality certification with cosmic rays tests.
2) Start the assembly at CERN of RPCs with the precision tracking drift chambers (MDT).
3) Finalize the design of the RPC gas system, the responsibility of which has been taken by our group in the
last few months.
4) Produce the final design of the optical concentrator and the pre-production of the first 50+50 optical links.
5) Continue the simulation studies for the level 1 µ trigger and the production of reconstruction and
calibration software.
6) Participate, using the Tier-3 Farm, to the ATLAS Data Challenge 1, i.e. the first test of the world-wide
computing model which has been chosen by the LHC collaborations and bases on the GRID concept.
138
TIER-3 ATLAS: REALIZZAZIONE DI UNA FARM DI CALCOLO LOCALE
COME PROTOTIPO DI TIER-3 PER L'ESPERIMENTO ATLAS.
M. Biglietti, G.P. Carlino*, G. Chiefari, F. Conventi, D. Della Volpe*, A. Doria*, S. Mele*, L.Merola
Attività 2001.
Il programma di ricerca nasce nell'ambito della sperimentazione presso il futuro collisore
adronico LHC al CERN che inizierà a prendere dati nel 2006. I partecipanti collaborano tutti,
in particolare, all'esperimento ATLAS dove si occupano specificamente dello studio e della
simulazione del trigger di primo livello per i muoni e dello sviluppo in tecnologie OO/C++
del software di ricostruzione dei muoni. Il progetto va oltre tale ambito giacché prevede in
generale anche lo sviluppo di nuove tecnologie di calcolo per gli esperimenti di Fisica delle
Alte Energie.
Nel corso del 2001 è stata realizzata una Farm di calcolo locale (un server più sette nodi
biprocessori tipo PIII 800 MHz e 500 GB di disco) come prototipo di Tier-3 (Terzo livello
gerarchico) che si inserisce nel modello di calcolo adottato dagli esperimenti a LHC che
prevede un Tier-0 al CERN comune a tutti gli esperimenti, un Tier-1 a Bologna come centro
di calcolo nazionale per la componente italiana e due Tier-2 (Roma e Milano per ATLAS)
quali livelli intermedi regionali.
Programma 2002-3
La Farm consentirà già dall'anno 2002 di partecipare alle massicce produzioni di eventi
necessari per la realizzazione delle fasi di test del software e delle prestazioni del sistema di
calcolo chiamate Data Challenge 1 e 2. Si prevede inoltre di utilizzare gli strumenti e le
tecnologie GRID, che hanno per obiettivo la costituzione di una Griglia internazionale di
calcolo distribuita a livello mondiale ed a cui sono interessati non solo gli ambienti
accademici e scientifici, fra cui l'INFN (progetto INFN-GRID), ma anche il mondo produttivo
ed industriale. L'obiettivo è realizzare e testare per la fine del 2003 un prototipo su scala del
10% rispetto alla configurazione finale di calcolo che è prevista per il 2006.
This project is connected to the LHC experimentation program which is expected to start in 2006. The Naples
group is involved in the ATLAS experiment and in particular in the first level muon trigger system and in the
OO/C++ muon reconstruction program; new software and computing technologies are in development for High
Energy Physics. During 2001 a computing Farm (1 server and 7 biprocessor system, 500 GB disk) has been
built as a prototype of a Tier-3 , whereas Tier-0 will be located at CERN, Tier-1 in the INFN laboratories at
CNAF-Bologna and 2 Tier-2 are foreseen in INFN sections in Rome and Milan.
2002-3 Program.
La Farm consentirà già dall'anno 2002 di partecipare alle massicce produzioni di eventi
necessari per la realizzazione delle fasi di test del software e delle prestazioni del sistema di
calcolo chiamate Data Challenge 1 e 2. Si prevede inoltre di utilizzare gli strumenti e le
tecnologie GRID, che hanno per obiettivo la costituzione di una Griglia internazionale di
calcolo distribuita a livello mondiale ed a cui sono interessati non solo gli ambienti
accademici e scientifici, fra cui l'INFN (progetto INFN-GRID), ma anche il mondo produttivo
139
ed industriale. L'obiettivo è realizzare e testare per la fine del 2003 un prototipo su scala del
10% rispetto alla configurazione finale di calcolo che è prevista per il 2006.
In 2002 massive simulations and tests of the whole system are expected in connection with
the ATLAS Data Challenge 1 and 2. In addition GRID tools and technologies are expected to
be extensively used. A 10% prototype of the final computing system will be in operation by
2003 and the full system will be ready in 2006.
STUDIO DELLA VIOLAZIONE DI CP NEL DECADIMENTO DEI MESONI K PRESSO
L'ACCELERATORE DAΦ
Φ NE DEI LABORATORI NAZIONALI DI FRASCATI DELL'INFN;
ESPERIMENTO KLOE
A.Aloisio, F. Ambrosino, F. Cevenini, G. Chiefari, C. Di Donato, A. Doria, L. Merola,
M. Napolitano, G. Saracino.
Attività 2001
L’acceleratore DAΦNE è un collisionatore e+e- con energia nel c.m. √s = 1020 MeV.
DAΦNE è una Φ-factory, il che rende possibile effettuare interessanti misure sia nell’ambito
della fisica dei K carichi e neutri sia nell’ambito della fisica dei decadimenti radiativi della
Φ, ma soprattutto rende possibile una misura di precisione del parametro di violazione di CP,
Re(ε′/ε), che rappresenta uno dei principali obiettivi dell'esperimento KLOE.
La presa dati dell’anno 2001 ha permesso di collezionare eventi per una luminosità integrata
di circa 200 pb-1, la cui analisi è già in corso.
Il gruppo KLOE di Napoli partecipa attivamente alla raccolta, ricostruzione ed analisi dei dati
e nel corso del 2001 si è occupato direttamente delle problematiche seguenti:
Ø ottimizzazione del sistema di run control e di monitoraggio online;
Ø studio e ottimizzazione della ricostruzione dei cluster neutri nel calorimetro;
Ø attività di controllo della qualita dei dati e della loro ricostruzione.
L’attività svolta nell’ambito dell’analisi dei dati si articola secondo i seguenti punti:
§ per la fisica dei K:
Ø studio delle sistematiche per la misura di violazione di CP attraverso i
decadimenti
K L → π+ π- π0;
Ø studi per la misura delle slope lineari nei decadimenti semileptonici del KL e
K±
Ø studi per la misura del branching ratio assoluto del decadimento K± → e± π0
ν;
§
per la fisica dei decadimenti radiativi della Φ:
Ø misura dei branching ratio Φ → η γ e Φ → η′ γ e dell’angolo di mixing
η−η′;
Ø misura del branching ratio assoluto del decadimento Φ → η′ γ;
Ø studi per la misura del contributo anomalo nei decadimenti η(η′) → π+ π- γ;
Ø studio dei dalitz plot del decadimento η → π+ π- π0.
140
Programma 2002
La presa dati nell’anno 2002 si concluderà nel mese di novembre e si prevede di raccogliere
una luminosità integrata pari a ~250÷500 pb-1. Il gruppo KLOE di Napoli si focalizzerà sullo
studio della fisica dell’η e dell’η′. La maggiore statistica disponibile permetterà di diminuire
l’errore statistico nelle misure già effettuate e renderà possibile la misura delle slope
quadratiche dei dalitz plot dell’η in tre π e del contributo anomalo nel decadimento η(η′) →
π+ π- γ. La statistica collezionata nel 2001 permetterà anche di portare a termine le analisi
riguardanti la fisica dei K.
2001 Activity
DAΦNE is an e+e- collider with √s = 1020 MeV. It is a Φ-factory, this means that it’s possible to study charged
and neutral Kaon physics and Φ radiative decays and above all it’s possible to performe a precise measurement
of CP violation, Re(ε′/ε), the main item of KLOE.
In the 2001 KLOE has collected almost 200 pb-1.
The KLOE group at Naples is involved in the data acquisition, reconstruction and analysis. During the last year
it takes care of the following problems:
- run control system and monitoring online improvement
- neutral clusters reconstruction study and improvement;
- data check quality and reconstruction.
Concerning the analysis the activity is the following:
• Kaon physic:
- study of the systematics concerning the CP violation using K L → π+ π- π0;
- study about the measurement of linear slope in the semileptonic decays of KL and K±;
- study about the measurement of absolute branching ratio K± → e± π0 ν;
• Φ radiative decays:
- measurement of Φ → η γ and Φ → η γ′ branching ratio and of η−η′ mixing angle;
- measurement of absolute branching ratio of Φ → η′ γ;
- study about the measurement of the anomalous contribution in the decays η(η′) → π+ π- γ;
- study of dalitz plot of η → π+ π- π0.
2002 Program
The 2002 data collection will go on up to November, delivering ~250÷500 pb-1 integrated luminosity. The
KLOE group at Naples will be focused on the η-η′ physics. The higher statistic available will reduce statistical
error and it will allow to measure quadratic slope of dalitz plot in the decay η → π+ π- π0 and anomalous
contribution in the decays η(η′) → π+ π- γ.
The 2001 events will allow to conclude the analysis about the kaon physics.
Comunicazioni a congressi e Pubblicazioni:
The KLOE coll. (presented by F. Ambrosino): “Searches of pseudoscalar mesons at KLOE”, XII EURODAFNE
workshop, Valencia
The KLOE coll. (presented by C. Di Donato): “Φ radiative decays at KLOE”, LNF Spring School
The KLOE coll. (presented by C. Di Donato): “Detection of Φ→ π0γ, Φ→ ηγ and Φ→ η′γ with KLOE detector
at DAFNE”, contributed paper to Hadron Spectroscopy 2001, to be published on AIP Conf. Proc.
F. Ambrosino, “Analysis of Φ→ ηγ, Φ→ η′γ in π+π- 3γ final state” KLOE internal memo n.266
C. Di Donato, “Study on Φ→ η′γ, with seven γ and two tracks final state” KLOE internal memo n.268
F.Ambrosino, “Φ→ η′γ ” KLOE note n.179
The KLOE coll.: ”Measurement of Γ(Φ → η′γ)/Γ(Φ→ ηγ) and the pseudoscalar mixing angle” Submitted to
Elsevier Science;
141
The KLOE coll.: “Calibration and reconstruction performances of the KLOE electromagnetic calorimeter”, Nucl.
Inst. Meth. A461, (2001) 344-347
The KLOE coll.: “The KLOE trigger system” Nucl. Inst. Meth. A461, (2001) 465-469
The KLOE coll.: “The KLOE drift chamber” Nucl. Inst. Meth. A461, (2001) 25-28
The KLOE coll.: “The KLOE electromagnetic calorimeter”, Nucl. Inst. Meth. A482, (2002) 363-385
The KLOE coll.: “The QCAL tile calorimeter of KLOE experiment” Nucl. Inst. Meth. A483, (2002) 655-665
The KLOE coll.: ”Measurement of the branching fraction for the decay KS→ πeν”, Physics Letters B 535 (2002)
37-42
The KLOE coll.: ”Study of the decay Φ→ ηπ0γ with the KLOE detector”, Physics Letters B 536(2002) 209-216
The KLOE coll.: Study of the decay Φ→ π0π0γ with the KLOE detector, Physics Letters B 537(2002) 21-27
The KLOE coll.: ”Measurement of Γ(KS→ π+π− (γ))/Γ( KS → π0π0)”, Physics Letters B 538 (2002) 21-26
STUDIO DELLA VIOLAZIONE DI CP NEL SISTEMA B-ANTI B PRESSO
L'ACCELERATORE PEP II DI SLAC (USA)
(ESPERIMENTO BABAR)
C.Cartaro*, N. Cavallo*, G. De Nardo* , F.Fabozzi*, C.Gatto*, L. Lista*, P. Paolucci*,
D. Piccolo*, C. Sciacca
Attività 2001
Il programma sperimentale è svolto in collaborazione con numerose istituzioni italiane,
europee ed extraeuropee, presso l'acceleratore PEP II di SLAC (Stanford, California),
progettato come “fattoria” di mesoni B prodotti dal decadimento della risonanza Y(4S) sulla
quale e’ centrata l’energia nel centro di massa.
Lòbiettivo principale dellèsperimento BaBar e` lo studio sistematico delle asimmetrie CP
nei decadimenti dei mesoni B neutri. Inoltre, possono essere misurati con precisione alcuni
elementi della matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa e possono essere rivelati vari
decadimenti rari del B, con il risultato di sottoporre a stringente analisi previsioni e parametri
del Modello Standard delle particelle elementari. Altri canali di fisica sono lo studio delle
proprietà del B, delle particelle contenenti il quark charm ed del leptone tau, nonche` l`
analisi della fisica a due fotoni.
Il gruppo di Napoli, assieme a ricercatori di Bari, Frascati e Genova, nonchè del LLNL di
Livermore, è stato responsabile della realizzazione del sistema IFR (Instrumented Flux
Return) destinato alla identificazione dei muoni e dei K0L.
Tale rivelatore e' costituito da lastre di ferro di spessore variabile tra 2 e 10 cm, instrumentate
con piani di RPC per un totale di oltre 2,000 metri quadri e di circa 50,000 canali di lettura.
Oltre alla progettazione e realizzazione dellàpparato , il gruppo ha sviluppato tutta
lèlettronica di trigger per muoni, nonche` tutto l`hardware ed il software per il sistema di
controllo on line di varie migliaia di parametri funzionali.
Inoltre, il gruppo di Napoli ha un ruolo essenziale nel software dellèsperimento, essendo
responsabile della ricostruzione ed identificazione dei muoni nello stato finale, mediante
selettore in grado di rigettare i ben piu` abbondanti pioni.
Il gruppo e` inoltre presente nellànalisi di alcuni canali di fisica, essendo stato il principale
artefice dello studio del decadimento B+/- à J/psi pi+/- and B+/- à J/psi K+/- con misura
dei rapporti delle frazioni di decadimento e ricerca di asimmetrie di carica con violazione
142
diretta di CP. Il gruppo e’ inoltre impegnato nelle misure di due elementi della matrice di
CKM, (Vcb e Vub ) e nello studio del decadimento B à tau neutrino.
Moltissimi sono stati i risultati scientifici di rilievo pubblicati o presentati alle conferenze da
Babar (in particolare, membri del gruppo di Napoli hanno rappresentato la collaborazione in
due occasioni nel 2001) : il risultato piu’ atteso conferma la violazione di CP nel sistema del
B, con la misura di sin 2beta =0.59 +/- 0.14 (stat) +/- 0.05 (sist), in accordo con le attese
teoriche, basata su circa 30 fb-1 raccolti. La statistica disponibile e’ ad oggi circa raddoppiata.
Programma 2002
Lànno 2002 vedra` 8 mesi di presa dati, assieme allànalisi degli eventi raccolti.
Nella seconda parte dell’anno, avverra’ la sostituzione degli RPC contenuti nella parte in
avanti dell’IFR, a seguito dei problemi di invecchiamento prematuro di tali rivelatori, dovuti
alla procedura industriale di produzione ed alle alte temperature dell’estate 1999. Il gruppo di
Napoli avra’ , in tale operazione, la responsabilita’ della messa a punto e calibrazione del
sistema.
The experimental program is done in collaboration with many Italian, European and non-European institutes,
at the PEP II accelerator at SLAC (Stanford, California), designed as B meson factory, operated at the Y(4S)
resonance center of mass energy.
The primary goal of the BaBar experiment is the systematic study of CP asymmetries in the decays of neutral B
mesons. In addition to this, a sensitive measurement of some Cabibbo-Kobayashi-Maskava matrix elements can
be made, and a number of rare B mesons decays may be measured, together enabling good constraints to be put
on fundamental parameters of the Standard Model.
A range of other physics may also be studied at BaBar, including other B physics, the physics of particles
containing the charm quark, and studies on tau lepton and two photon processes.
The Naples group, in collaboration with Bari, Frascati, Genova and Livermore institutes, had the responsibility
for the project of the IFR (Instrumented Flux Return) system, devoted to the muon and K0L identification. The
IFR detector consists of iron layers between 2 and 10 cm deep, instrumented with RPC planes for more than
2,000 m2 total area and about 50,000 readout channels.
In addition, our group has developed all the electronics for muon trigger, and the whole hardware and software
of the Detector control system.
Moreover, Naples group plays a crucial role in Babar software, being responsible of muon reconstruction and
identification, in presence of a strong pion contamination. Naples group is also present in various physics
analysis, being the principal author of the study on the decay B+/- à J/psi pi+/- and B+/- à J/psi K+/- ,
measuring the ratio of the branching factors and searching for direct CP- violating charge asymmetries.
Moreover, Naples group is also involved in the measurement of two CKM matrix elements (Vcb e Vub ), and in
the study of the decay B à tau neutrino.
In 2001, many have important results have been published or presented at international conferences (in two
occasions, members of Naples group have represented Babar collaboration) : most awaited for result has
demonstrated he existence of definite CP violation in the B system, with the measurement of sin 2beta =0.59 +/0.14 (stat) +/- 0.05 (sist), in agreement with theoretical expectations, based on nearly 30 fb-1 recorded. Data
collected today are more than a factor two the previous number.
143
2002 Program
Data collection will continue for 8 months and all the relevant physics events will be analysed.
In the second part of the year, RPC detectors of the IFR forward endcap will be replaced, as a consequence of
the early aging of the chambers, due to the industrial procedures used in the factory and to the heat suffered in
summer 1999. Naples group will have the responsibility of the commissioning of the new system.
Pubblicazioni su riviste internazionali
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
G. De Nardo, F. Fabozzi, L. Lista (INFN, Naples and Naples U.) object oriented reconstruction
software for the instrumented flux return of babar Nucl.Instrum.Meth.A471:398-402,2001
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) measurements of the branching fractions of exclusive charmless
b meson decays with η' or ω mesons Phys.Rev.Lett.87:221802,2001
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) search for the decay b0 → γ Phys.Rev.Lett.87:241803,2001
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) measurement of the b → j/ψ k*(892) decay amplitudes
Phys.Rev.Lett.87:241801,2001
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) measurement of branching fractions for exclusive b decays to
charmonium final states Phys.Rev.D65:032001,2002
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) measurement of the b0 and b+ meson lifetimes with fully
reconstructed hadronic final states Phys.Rev.Lett.87:201803,2001
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) observation of cp violation in the b0 meson system
Phys.Rev.Lett.87:091801,2001
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) measurement of j/ψ production in continuum e+e− annihilations
near sqrt(s) = 10.6 gev Phys.Rev.Lett.87:162002,2001
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration)
measurement of branching fractions and search for cp violating charge asymmetries in charmless two
body b decays into pions and kaons Phys.Rev.Lett.87:151802,2001
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) measurement of the decays b → φ k and b → φ k*
Phys.Rev.Lett.87:151801,2001
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) measurement of cp violating asymmetries in b0 decays to cp
eigenstates Phys.Rev.Lett.86:2515-2522,2001
BaBar notes
F.Fabozzi, L. Lista measurement of the ratio of branching fractions br( b±→ j/ψ π± ) / br( b±→ j/ψ k± )
BABAR Analysis Document #93
2. F.Fabozzi, L. Lista study of direct cp-violation in b±→ j/ψ π± and b±→ j/ψ k± decays BABAR Analysis
Document #239
3. C.Cartaro, F.Fabozzi, L.Lista ifr forward endcap upgrade BaBar Note #540
4. G.De Nardo et al. b semi-exclusive reconstruction BaBar Analysis Document #271
1.
Conferenze internazionali
1.
2.
3.
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) study of semiinclusive production of η' mesons in b decays
SLAC-PUB-8979, BABAR-CONF-01-08, Sep 2001, hep-ex/0109034 Contributed to 9th International
Symposium on Heavy Flavor Physics, Pasadena, California, 10-13 Sep 2001
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) study of b → d(*) anti-d(*) decays with the babar detector SLACPUB-8982, BABAR-CONF-01-28, Sep 2001, hep-ex/0109009 Contributed to 9th International
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) search for a lifetime difference in d0 decays SLAC-PUB-8983,
BABAR-CONF-01-29, Sep 2001, hep-ex/0109008 Contributed to 9th International Symposium on
Heavy Flavor Physics, Pasadena, California, 10-13 Sep 2001
144
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) measurement of the branching fraction for b+ → k*0 π+ SLACPUB-8981, BABAR-CONF-01-12, Sep 2001, hep-ex/0109007 Contributed to 9th International
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) search for direct cp violation in quasi two body charmless b
decays SLAC-PUB-8980, BABAR-CONF-01-09, Sep 2001, hep-ex/0109006 Contributed to 9th
International Symposium on Heavy Flavor Physics, Pasadena, California, 10-13 Sep 2001
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) search for b decays into k0 anti-k0 SLAC-PUB-8978, BABARCONF-01-04, Sep 2001, hep-ex/0109005 Contributed to 9th International Symposium on Heavy Flavor
Physics, Pasadena, California, 10-13 Sep 2001
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) search for b0 → a0+(980) π− SLAC-PUB-8930, BABARCONF-01-07, Jul 2001, hep-ex/0107075 Contributed to 20th International Symposium on Lepton and
Photon Interactions at High Energies (Lepton Photon 01), Rome, Italy, 23-28 Jul 2001
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) study of cp violating asymmetries in b → π+ / − π− / + , k + / − π− / +
decays SLAC-PUB-8929, BABAR-CONF-01-05, Jul 2001, hep-ex/0107074 Contributed to 20th
International Symposium on Lepton and Photon Interactions at High Energies (Lepton Photon 01),
Rome, Italy, 23-28 Jul 2001
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) measurement of ds+ and ds*+ production in b meson decays and
from continuum e+e− annihilations at sqrt(s) = 10.6 gev SLAC-PUB-8928, BABAR-CONF-01-27, Jul
2001, hep-ex/0107060 Contributed to 20th International Symposium on Lepton and Photon Interactions
at High Energies (Lepton Photon 01), Rome, Italy, 23-28 Jul 2001
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) study of t and cp violation in b0 anti-b0 mixing with inclusive
dilepton events SLAC-PUB-8927, BABAR-CONF-01-17, Jul 2001, hep-ex/0107059 Contributed to
20th International Symposium on Lepton and Photon Interactions at High Energies (Lepton Photon 01),
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) measurements of b0 decays to π+ π− π0 SLAC-PUB-8926,
BABAR-CONF-01-10, Jul 2001, hep-ex/0107058 Contributed to 20th International Symposium on
Lepton and Photon Interactions at High Energies (Lepton Photon 01), Rome, Italy, 23-28 Jul 2001
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) measurement of the branching fraction for the decay b0 → d*+
d*− SLAC-PUB-8925, BABAR-CONF-01-03, Jul 2001, hep-ex/0107057 Contributed to 20th
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) investigation of b → d(*) anti-d(*) k decays with the babar
detector SLAC-PUB-8924, BABAR-CONF-01-01, Jul 2001, hep-ex/0107056 Contributed to 20th
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) measurement of the exclusive branching fractions b0→ η k*0 and
b+→ η k*+ SLAC-PUB-8914, BABAR-CONF-01-06, Jul 2001, hep-ex/0107037 Contributed to
International Europhysics Conference on High Energy Physics (HEP 2001), Budapest, Hungary, 12-18
Jul 2001
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) measurement of the b0 anti-b0 oscillation frequency in hadronic
b0 decays SLAC-PUB-8913, BABAR-CONF-01-23, Jul 2001, hep-ex/0107036 Contributed to
International Europhysics Conference on High Energy Physics (HEP 2001), Budapest, Hungary, 12-18
Jul 2001
B. Aubert et al. (BABAR Collaboration) search for the rare decays b → k l+ l− and b → k*(892) l+ l−
SLAC-PUB-8910, BABAR-CONF-01-24, Jul 2001, hep-ex/0107026 Contributed to International
Europhysics Conference on High Energy Physics (HEP 2001), Budapest, Hungary, 12-18 Jul 2001
145
STUDIO DELLE INTERAZIONI PROTONE-PROTONE AD ALTISSIMA ENERGIA AL
LARGE HADRON COLLIDER (LHC) DEL CERN (Compact-Muon-Solenoid)
N. Cavallo, P. Paolucci*, D. Piccolo* e C. Sciacca
Descrizione del progetto
CMS è uno dei due esperimenti che studierà i prodotti delle interazioni protone-protone
all’acceleratore LHC (Large Hadron Collider) attualmente in fase di costruzione presso il
laboratori del CERN di Ginevra. LHC è un acceleratore da 7 + 7 Tev con una luminosità
massima di progetto di circa 1034 cm-2s-1, con interazioni ogni 25 ns e con un numero medio
di 23 eventi per crossing.
La collaborazione internazionale di CMS è composta da 1809 fisici ed ingegneri provenienti
da 31 nazioni ed appartenenti a 144 istituzioni.
Gli obbiettivi principali di CMS sono: verificare l’esistenza del bosone di Higgs sia
nell’ambito del Modello Standard che nel Minimal Supersymmetric Standard Model, studiare
il MSSM e ricercare quindi le eventuali particelle supersimmetriche, analizzare
dettagliatamente sia la fisica relativa al quark top che quella relativa alla CP violation ed
infine ricercare evidenze di una “nuova fisica”.
Il progetto CMS è nato dallo studio della rivelazione dei muoni con l’obbiettivo di ottenere
un rivelatore molto compatto e che potesse ottenere un’ ottima risoluzione in momento per
muoni di alta energia (fino ad 1 Tev). Dallo studio delle varie configurazioni magnetiche si è
giunti alla scelta di un solenoide superconduttore lungo circa 14 m e con un raggio di 3 m
capace di generare un campo magnetico di 4 Tesla. Il ferro di ritorno del magnete viene usato
per alloggiare il rivelatore per muoni. Questo si basa sulla tecnologia dei Drift Tubes nel
barrel e dei Cathode Strip Chamber negli endcap mentre per il sistema di trigger dei muoni si
è scelta la tecnologia dei Resistive Plate Chamber (RPC) sia nel barrel che negli endcap.
Partendo dal rivelatore per muoni e muovendoci radicalmente verso il punto d’interazione dei
fasci troviamo in successione: il calorimetro adronico-elettromagnetico, il rivelatore di tracce
(tracker) ed infine il rivelatore di vertice. Tutti questi sotto-rivelatori sono attualmente in fase
di costruzione, per alcuni di essi si è anche iniziata la fase di assemblaggio mentre, si prevede
di iniziare la fase di installazione nella seconda metà del 2003. L’installazione delle cinque
ruote (settori cilindrici) in cui è suddiviso CMS durerà circa 4 anni per terminare quindi nel
2006, anno in cui comincerà la fase di commissioning e che ci porterà fino alla seconda metà
del 2007 quando ci saranno le prima collisioni a luminosità ridotta (1033 cm-2s-1 )
Il gruppo di Napoli è coinvolto insieme al gruppo di Bari e di Pavia nella progettazione e
nella costruzione del sistema di trigger/rivelazione dei muoni del barrel. Il sistema è
composto da 5 route ognuna suddivisa in 12 settori contenenti 8 camere (RPC-DT) di diverse
dimensioni per un totale di 480 camere. Ogni camera è formata da 2 o 3 bigaps per un totale
di circa 2500 m2 e sono equipaggiate con un piano di 96-144 strips. L’elettronica di front-end
è alloggiata sulla camera ed è connessa al piano di strip tramite dei fogli di capton su cui sono
state stampate delle piste di rame di varia lunghezza per adattare i singoli canali
dell’elettronica alle strips.
Attualmente i gruppi coinvolti stanno lavorando alla produzione/test delle singole e doppie
gaps, all’assemblaggio/test delle camere complete (gaps+strips+front-end+servizi) ed alla
progettazione dei sistemi di HV-LV, del gas, del cooling ed a tutta quella parte concernente i
controlli ed il monitoring dell’intero sistema di rivelazione e di trigger.
Le responsabilità specifiche del gruppo di Napoli sono attualmente quelle di progettare e
realizzare il sistema di HV-LV per gli RPC ed un sistema online di controllo, calibrazione e
monitoring dell’intero apparato di rivelazione e trigger dei muoni.
146
Rapporto 2001
Nel 2001 l’attività di ricerca del gruppo di Napoli nell’ambito del progetto CMS si è
principalmente rivolta ai primi passi della progettazione di un sistema di HV-LV per gli RPC
ed al disegno di un sistema di controllo online del sistema di trigger dei muoni. In questo
ambito si sono tenuti una serie di incontri con i gruppi italiani e con i responsabili di CMS al
fine di iniziare una proficua e stretta collaborazione con la vasta collaborazione di CMS.
Programma 2002
Il programma 2002 del gruppo di Napoli consiste: nella partecipazione alla fase di
costruzione e test delle gaps e delle camere complete, nella progettazione del sistema di HVLV per gli RPC, nella realizzazione di un primo prototipo funzionale di HV-LV e dei relativi
test sia su banco che sul rivelatore ed infine nello studio e nella definizione delle specifiche
del sistema di controllo, calibrazione e monitoring dell’apparato sperimentale di trigger dei
muoni del barrel.
Project description
CMS is one of the LHC experiments at the Large Hadron Collider (LHC) collider at CERN. The LHC project
was approved by the CERN Council in December 1994. The machine will provide proton-proton collisions with
a centre-of-mass energy of 14 TeV and a design luminosity of 1034 cm-2s-1. The CMS collaboration is
composed by 1809 physicists and engineers of 31 nations and 144 institutions.
The CMS experiment has been optimised to: discover the Higgs boson (MSM and MSSM) in the full expected
mass range 0.08 < MH < 1 Tev, study the super-symmetric model and discovery his eventually new particles,
analyse the properties of the top quark, the CP violation physics and to search for new physic and/or new
models beyond the Standard Model.
For a high luminosity proton-proton machine it is natural to optimise first the muon detection system. All type of
magnetic configuration were studied. The requirement for a compact design led to the choice of a strong
magnetic field (4 T) generated by a solenoid about 14 m long and with a radius of about 3 m. This very strong
magnetic field guarantees good momentum resolution for high momentum muons (about 1 Tev) without strong
demands on the chamber space resolution. The muon detector consists of Drift Tubes (barrel) and Cathode Strip
Chamber (endcap) for the muon detection and Resistive Plate Chamber (RPC) for both the barrel and the
endcap muon trigger. All the sub-detectors are in construction and the installation will begin in the second part
of the 2003. It will be 4 years long and in the 2007 there will be the first LHC runs at low luminosity 1033 cm2s-1.
The group of Naples is involved with the I.N.F.N. group of Bari and Pavia in the barrel muon trigger system
based on the RPC technology. The system is composed by 5 wheels (cylindrical sector) each divided in 12
sectors equipped with 8 muon chambers (DT + RPC) for a total number of 480 chambers. The chamber
contains 2 or 3 bigaps for a total of about 2500 m2. They are equipped with a mono-dimensional plane of strips
connected to the front-end electronic through a capton foil used to adapt the single electronic channel to the
different strips.
At moment the three groups are working on: the single/double gaps production and test, the chamber assembly
and test, to the design of the HV-LV, gas and cooling systems and to the design of the hardware and software
structure of the control/calibration/monitoring system for the RPC muon detector and trigger.
The main responsabilities of the group of Naples are the HV-LV system and the design of the online
control/calibration/monitoring system.
147
In the 2001 the group has moved the first steps in the CMS collaboration mainly designing a first version of the
HV-LV system and of the control/calibration/monitoring system for the barrel muon trigger.
2002 program
In the 2002 the group of Naples is involved in: the construction and test of the single/double gaps and of the
entire chamber, in the design of the HV-LV system for the RPCs, in the realization and test of a first HV-LV
prototype and in the design of a control/calibration/monitoring system for the RPC detectors and for the trigger
system.
FISICA DEL NEUTRINO
RICERCA DI OSCILLAZIONI DI NEUTRINI ALL'SPS DEL CERN
(ESPERIMENTO CHORUS)
S. Buontempo*, A. G. Cocco*, N.D’Ambrosio*, G. De Lellis*, G. De Rosa, F. Di Capua, A. Ereditato*, G.
Fiorillo, M. Messina, P. Migliozzi*, R. Peluso*, C. Pistillo*, P. Strolin, V. Tioukov*
Attività 2001 e Programma 2002
Scopo principale dell’esperimento è la ricerca di un segnale di oscillazione di neutrini
muonici in neutrini tauonici con un’alta sensibilità nel parametro di mescolamento (di più di
un ordine di grandezza maggiore rispetto a quella raggiunta da esperimenti precedenti) e
masse (dell’ordine della decina di eV) tali che il neutrino possa contribuire in modo
significativo alla cosiddetta Materia Oscura dell’Universo. Le caratteristiche dell’apparato
sperimentale permettono inoltre lo studio della fisica delle particelle charmate, con
osservazione diretta del loro decadimento e statistica di oltre un ordine di grandezza superiore
a quella di precedenti esperimenti.
CHORUS usa un apparato sperimentale “ibrido”. Il bersaglio attivo è costituito da emulsioni
nucleari per l’osservazione visiva diretta, con altissima risoluzione spaziale, del decadimento
dei leptoni tau, prodotti a seguito dell’ interazione del neutrino tauonico. L’alta sensibilità è
raggiunta grazie all'elevata massa del bersaglio (800 kg), l'alta intensità del fascio di neutrini
muonici WBB dell’SPS del CERN e soprattutto l’elevata efficienza di reiezione del
background dovuto ai neutrini muonici nelle emulsioni, resa possibile quest'ultima dagli
importanti progressi ottenuti nelle tecniche di scanning automatico delle emulsioni nucleari.
Tra il 1994 e il 1997 sono stati acquisiti circa 800000 eventi di corrente carica. Dopo una
prima analisi, che già ha portato a un considerevole miglioramento nella sensibilità rispetto ai
precedenti esperimenti, è ora in corso la cosiddetta Analisi Fase 2, mirata a raggiungere la
sensibilità di progetto nella ricerca di oscillazioni. Essa trae profitto sia delle nuove
metodologie sviluppate per l’analisi nelle emulsioni che di un miglioramento del software di
ricostruzione, permettendo fra l'altro di studiare canali esclusivi di produzione e decadimento
di charm in interazioni di neutrino.
148
Il gruppo di Napoli è impegnato nell’analisi delle emulsioni con microscopi automatici e
semiautomatici. Tali microscopi sono dispositivi di avanguardia, per cui è anche in corso una
attività di ricerca e sviluppo.
2001 Activity Report and 2002 Program
The goal of CHORUS is a search for muon- to tau- neutrino oscillations with high sensitivity in the mixing
angle, to test the hypothesis of a tau-neutrino with a mass large enough to contribute to the understanding of the
Dark Matter puzzle. The features of the experiment also allow to study the physics of charmed particles, with
direct observation of their decay and statistics by more than one order of magnitude larger than in previous
experiments.
The high sensitivity is achieved by an experimental technique (nuclear emulsions) which provides a high
background rejection, by the large mass (800 kg) of the emulsion target, by the intensity of the CERN SPS Wide
Band Neutrino Beam and by the use of new techniques for automatic emulsion scanning.
In the years 1994-1997 the experiment has collected about 800000 charged current neutrino interactions.
Results from a first phase of the data analysis have been published, already leading to a considerable
improvement in sensitivity with respect to previous experiments. The so-called Analysis Phase 2 exploits now the
advances in automatic scanning to reach the design sensitivity to neutrino oscillation and to carry out studies of
exclusive channels for production and decay of charmed particles.
The Napoli group is involved in emulsion scanning with automatic and semi automatic microscopes.
Pubblicazioni e comunicazioni a congressi 2001
1) E. Eskut et al. New results from a search for nu_mu to nu_tau and nu_e to nu_tau oscillation Physics
Letters B 497 (2001) 8-22.
2) E. Eskut et al. Observation of weak neutral current neutrino production of J/psi Physics Letters B 503
(2001) 1-9.
3) A. Kayis-Topaksu et al. Measurement of D0 production in neutrino charged-current interactions
Physics Letters B 527 (2002) 3
4) G. De Lellis, A. Marotta and P. Migliozzi A combined analysis of all data on nu- and bar{nu}-induced
single charm production. J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 28 (2002) 713.
5) A. Cocco Results from the short baseline experiments at Cern invited talk at the Rencontres de
Moriond, "Electroweak interactions and unified theories", 10-17 Marzo 2001.
149
RICERCA DI OSCILLAZIONI NEUTRINO-MU NEUTRINO-TAU CON UN
ESPERIMENTO LONG BASELINE SUL FASCIO CNGS DAL CERN AL GRAN SASSO
(ESPERIMENTO OPERA)
S. Buontempo*, A. G. Cocco*, N.D'Ambrosio*, G. De Lellis*, G. De Rosa, F. Di Capua, A. Ereditato*, G.
Fiorillo, T. Kawamura, M. Messina, P. Migliozzi*, C. Pistillo*, G. Sorrentino, P. Strolin, V. Tioukov*
Attività 2001 e Programma 2002
Lo scopo di OPERA è la ricerca delle oscillazioni numu-nutau con un esperimento di long
baseline sul fascio CNGS dal Cern ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso. L'esperimento si
propone di esplorare l'origine del deficit di neutrini muonici atmosferici osservato da SuperKamiokande.
Il rivelatore è basato sulla tecnica ECC, un sandwich di lastre di piombo e fogli di emulsione,
utilizzati come elementi traccianti ad altissima risoluzione spaziale. Gli elementi del bersaglio
sono detti "bricks", mattoni. Essi sono rimossi, se interessati da una interazione di neutrino,
ed analizzati quasi on-line. Rivelatori elettronici sono inseriti nella struttura modulare con lo
scopo di predire il mattone contenente il vertice di interazione del neutrino e di tracciare i
muoni, come necessario per la reiezione del fondo. La struttura contiene oltre 200,000
mattoni, assemblati in piani a loro volta raggruppati in super-moduli, ciascuno equipaggiato
con uno spettrometro magnetico per muoni. La massa del bersaglio piombo-emulsioni
ammonta a circa 2000 tonnellate.
Nell'anno 2001 l'esperimento è passato dalla fase di progettazione (la Proposta è stata
presentata ai Comitati Scientifici nel Luglio 2000) alla fase di realizzazione dei primi
prototipi. Nel settembre 2001 l'esperimento ha presentato uno Status Report.
La Collaborazione include, oltre ai gruppi italiani di Bari, Bologna, Frascati, Gran Sasso,
L’Aquila, Napoli, Roma1, Padova e Salerno, ricercatori appartenenti alle seguenti Istituzioni
in Europa ed Asia: Aichi, Amburgo, Ankara, Annecy, Beijing, Bern, Berlino, Brussels,
CERN, Funabashi, Hagen, Haifa, Kobe, Jinan, JINR Dubna, Lione, INR e ITEP Mosca,
Münster, Nagoya, Obninsk, Orsay, Rostock, Strasburg, Utsunomiya e Zagabria.
L'attività della Collaborazione è stata dedicata alla ottimizzazione del progetto del rivelatore
ed alla valutazione delle prestazioni attese per l'esperimento con tecniche MonteCarlo. Inoltre
si sono realizzate delle misure di prova su rivelatori prototipo esposti a fasci di particelle. Il
gruppo di Napoli in particolare ha studiato, in aggiunta alle proprietà generali dei nuovi film
di emulsione prodotti industrialmente (sensibilità, invecchiamento, erasing controllato, etc),
la risoluzione angolare ottenibile nella misura di tracce in emulsione e la misura della
quantità di moto dalla diffusione multipla nella struttura piombo/emulsione.
Un'altra attività di R&D del gruppo di Napoli concerne lo sviluppo di tecniche di scanning
automatiche di prossima generazione. Il primo prototipo del sistema S-UTS in fase di
sviluppo in Giappone sarà operativo nel 2002. Esso avrà una velocità di scanning di circa 20
cm2 di emulsione all'ora, secondo le specifiche richieste. Un diverso sistema è in fase di
sviluppo in Italia, basato sull'approccio detto a multi-traccia. Nel corso del 2001 è stato
realizzato un prototipo la cui velocità di scanning di circa 10 cm2 di emulsione all'ora. Studi
per l'ottimizzazione e l'aumento della velocità di scanning son in corso. Viene inoltre studiata
strumentazione innovativa nel campo dell'analisi di immagini ad alta definizione: telecamere
150
CCD di nuova generazione con elevato frame rate ed alta qualità d'immagine; nuovi frame
grabbers multi-processore per l'analisi on-line.
Sono stati inoltre investigati aspetti tecnici quali la struttura di supporto dei bricks e dei
rivelatori elettronici, l'automazione relativa all'assemblaggio dei brick ed alla loro
installazione e il trattamento delle emulsioni prima del run (refreshing) e dopo (sviluppo).
OPERA comincerà a prendere dati nel 2006.
2001 Activity Report and 2002 Program
The goal of OPERA (Oscillation Project with an Emulsion tRacking Apparatus) is the search for numu-nutau
oscillations with a long baseline tau appearance experiment in the approved CNGS neutrino beam from the
CERN SPS to the Gran Sasso Laboratory. The experiment will investigate the source of the deficit of
atmospheric muon neutrinos reported by the Super-Kamiokande experiment.
The detector is based on the so-called ECC technique, a massive sandwich of lead plates and emulsion films,
used as tracking devices with very high space resolution. Electronic detectors complement the experimental setup, with the task of predicting the neutrino interaction point inside the sandwich structure elements (bricks), to
identify muons and to measure their charge and momentum for background rejection (muon spectrometers). The
detector is based on a modular structure: more than 200.000 bricks are assembled in walls, in turn forming
supermodules, each equipped with a muon spectrometer. The detector has a total target mass of about 2000
tons.
In year 2001, the experiment moved from the design ( the Proposal has been submitted to the Scientific
Committees in July 2000) to the realization of the first prototypes. In September 2001 the experiment presented
a Status Report.
The Collaboration includes now, in addition to the Italian groups of Bari, Bologna, Frascati, Gran Sasso,
L’Aquila, Napoli, Roma1, Padova and Salerno, researchers from the following Institutions in Europe and Asia:
Aichi, Amburgo, Ankara, Annecy, Beijing, Bern, Berlin, Brussels, CERN, Funabashi, Hagen, Haifa, Kobe,
Jinan, JINR Dubna, Lione, Lyon, INR and ITEP Moscow, Münster, Nagoya, Obninsk, Orsay, Rostock,
Strasburg, Utsunomiya and Zagreb.
The activity of the Collaboration concerned the design of the experiment and the assessment of its expected
performance by simulations and test measurements performed on prototype detectors (emulsion bricks and
electronic detectors) exposed to particle beams. In addition to the general properties of the newly developed
industrial emulsion films (sensitivity, ageing features, controlled erasing, etc.), the Naples group studied the
angular resolution obtained by tracking the particles in the emulsion films of the brick and the determination of
the momentum by multiple scattering measurement in the lead/film sandwich structure.
Another R&D activity concerned the development of next generation automatic scanning devices. The first
prototype of the S-UTS system being developed in Japan is expected to be operational in 2002. It will feature a
scanning speed of more than 20 cm2 of emulsion film surface per hour, meeting the OPERA requirements.
During the year 2001 a first prototype with speed of about 10 cm2/hour has been setup. Efficiency optimization
and tests to increase the speed are under way. Innovative instrumentation is being developed in the field of high
definition image analysis: new generation CCD cameras with high frame rate and high image quality; new
multi-processor frame grabbers for on-line image analysis.
Work has also been carried out on technical issues such as the support structure of bricks and electronic
detectors, the automation related to the brick assembly and installation, and the handling of the emulsion films
before the run (erasing of background tracks) and after (development).
OPERA is expected to start taking data in 2006.
151
Pubblicazioni e comunicazioni a congressi 2001
1.
2.
3.
4.
M.Guler et al. (164 co-authors), Status Report on the OPERA experiment, CERN-SPSC-2001-025,
CERN-SPSC-M-668,LNGS-EXP-30-2001-ADD-1.
S.Buontempo et al. (29 co-authors), The compact emulsion spectrometer, Nuclear Instruments and
Methods { A457 (2001), 464-470.
Review on the long baseline neutrino experiments, P.Migliozzi, III International Conference on NonAccelerator New Physics, Dubna, Russia, June 19-23, 2001
CHORUS and OPERA neutrino experiments, V.Tioukov, 10th Lomonosov Conference on Elementary
Particle Physics, Moscow, Russia, August 23-29, 2001
STUDIO DELLA PRODUZIONE DI ADRONI RESPONSABILI DEI FLUSSI DI NEUTRINI
NELLE NEUTRINO FACTORIES, NELL’ATMOSFERA ED AGLI ACCELERATORI
CONVENZIONALI
(Esperimento HARP/PS214)
V. Palladino, responsabile nazionale di una collaborazione di gruppi di Bari, Ferrara, Legnaro,
Milano, Napoli, Padova, Roma I, Roma 3 e Trieste
HARP e’ un esperimento strategico nel quadro dello sforzo internazionale verso la
progettazione di nuove e piu’ intense sorgenti artificiali di neutrini, le Neutrino Factories. E’
una misura di produzione di adroni, su tutto l’ angolo solido, da parte di un fascio di protoni e
pioni del CERN PS, di momento tra 2 to 15 GeV/c su varii bersagli di numero atomico
diverso, sia sottili che spessi.
Attivita’ 2001:
L’ apparato e’ stato completato e messo in funzione. Il primo anno di presa dati e’ stato
portato a termini. E’ cominciata l’analisi preliminare dei dati.
Attivita’ 2002:
L’ apparato sta ritornando in funzione dopo le operazioni di manutenzione durante l’ arresto
degli acceleratori. 20 settimane di presa dati sono previste da maggio a settembre. L’ analisi
dati continuera’ per almeno tutto il 2003.
STUDIO del POTENZIALE SCIENTIFICO delle NEUTRINO FACTORIES e R&D
TECNOLOGICO FINALIZZATO alla LORO REALIZZAZIONE
(Gruppo di lavoro ECFA sulle NuFact)
V. Palladino, responsabile nazionale di una collaborazione di fisici di Bari, Cagliari, Legnaro,
Milano, Napoli, Padova, Pisa, Roma I, e Trieste
Attivita’ 2001
Questo Working Group INFN partecipa agli ECFA Studies per la realizzazione di un Muon Complex, una delle
cui applicazioni piu’ promettenti sara’ un muon storage ring, la Neutrino Factory (NuFact).
Nel 2001 ha preparato parecchi contributi al Workshop annuale NuFact in Giappone,
promosso ed organizzato due Workshop su Neutrino Detectors in Spagna ed al CERN, completato una lettera di
intenti di un esperimento (MICE) che dimostri la fattibilita’ del Muon Cooling.
152
Programma 2002
Prepareremo per il Workshop NuFact02, nel cui Comitato Scientifico siamo ben
rappresentati, parecchi contributi. Organizzeremo nella settimana precedente anche una
NuFact02 Summer School. Stiamo lavorando al Proposal di MICE che sara’ completato
entro l’anno.
Una collaborazione al progetto giapponese JHFnu e’ in avanzato stadio di formulazione e
dovrebbe essere definito entro l’ anno.
Sia per MICE che per JHFnu c’ e’ chiaro interesse di numerosi altri ricercatori napoletani.
153
FISICA DELLA RADIAZIONE COSMICA
STUDIO DELLA RADIAZIONE COSMICA PRESSO IL
LABORATORIO DI RAGGI COSMICI DI YANGBAJING IN TIBET
(ESPERIMENTO ARGO-YBJ)
F. Barone*, B. Bartoli, E. Calloni, S. Catalanotti, S. Cavaliere, B. D'Ettorre Piazzoli,
T. Di Girolamo*, G. Di Sciascio*, M. Iacovacci, S. Mastroianni,L. Milano e L. Saggese*
Attivita' 2001
Il telescopio ARGO-YBJ è un apparato di sciame consistente in un singolo strato (circa 104
m2) di rivelatore RPC (Contatori a Piastre Resistive), con un'area attiva pari al 92% della
superficie occupata, in grado di fornire una rappresentazione spazio-temporale molto raffinata
del fronte dello sciame.
Situato ad alta quota (4300 m) un tale apparato e' in grado di lavorare ad una energia di soglia
di alcune decine di GeV con elevata efficienza e sensitività.
L'esperimento ARGO-YBJ è stato approvato e finanziato dalle istituzioni italiane (INFN) e
cinesi (CAS) nell'ambito di una collaborazione Italia-Cina.
La collaborazione ARGO-YBJ include attualmente fisici italiani INFN o provenienti da
Università o Istituti CNR di Lecce, Napoli, Roma (II e III Università), Palermo, Pavia e
Torino, e fisici cinesi con partecipazione maggioritaria dell'IHEP di Pechino. In totale quasi
100 fisici.
Il rivelatore è in corso di installazione nel Laboratorio di Raggi Cosmici di Yangbajing (90
km da Lhasa, Tibet), a 4300 m s.l.m., 30 gradi di latitudine Nord.
A questa quota, ARGO-YBJ permette di studiare i seguenti settori di fisica:
Astronomia gamma con soglia a 100 GeV: possono essere osservate con elevata sensibilità
numerose sorgenti galattiche ed extragalattiche.
Gamma diffusi dal disco galattico, nubi molecolari e remnant di SuperNova sempre con
soglia a 100 GeV, per la ricerca delle sorgenti di raggi cosmici.
Gamma-Ray Burst: uno dei fenomeni più interessati e misteriosi di astrofisica, secondo
alcune ipotesi correlati ad emissioni di onde gravitazionali.
Misura della componente di antiprotoni nei raggi cosmici alle energie del TeV, con sensibilità
sufficiente a discriminare tra le due ipotesi di produzione locale (galattica) degli antiprotoni o
di origine extragalattica, e quindi, capace di dare una risposta al problema della simmetria
materia-antimateria nell'Universo.
Spettro dei raggi cosmici tra 101 e 103 TeV.
Monitoraggio del campo magnetico solare ed interplanetario per lo studio dei fenomeni solari
e studio della modulazione dei raggi cosmici galattici di bassa energia (<100 GeV) da parte
dell'eliosfera.
Nel corso del 2001, dopo la consegna del Laboratorio, è continuata l’installazione delle linee
di distribuzione dei gas (completata all’80%); sono stati installati 16 Clusters ed il relativo
sistema di acquisizione. E’ stato eseguito un accurato debugging che ha consentito di
identificare, a livello del singolo cluster, un pericoloso noise correlato, di capirne l’origine e
quindi di eliminarlo con un nuovo sistema di cablaggio.
Al contempo, presso i laboratori napoletani, è proseguita l’attività di progettazione e
realizzazione del trigger e del sistema di acquisizione.
154
In vista di un successivo sviluppo è proseguito lo studio sperimentale della risposta analogica
degli RPC.
Sono altresì in corso di sviluppo gli algoritmi di ricostruzione degli eventi, in linguaggio
C++.
E’ iniziato il progetto per definire un trigger ed una procedura di analisi atti a determinare lo
spettro di size nel range 10 TeV – 103 TeV di energia dei primari.
Programma 2002
Il programma comprende
A YangBaJing:
• Installazione di 400 RPC e loro test di funzionalità.
• Installazione dell’elettronica di cluster (Local Station) per 30 clusters.
• Presa dati per 30 cluster
A Napoli
• Completamento dell’elettronica di Trigger
• Studio della risposta analogica degli RPC
• Sviluppo degli algoritmi di ricostruzione
• Studio del trigger di sciame per selezionare eventi originati da R.C. con energia
nell’intervallo tra 101 e 103 TeV
During year 2001 the installation of the gas distribution pipes has been completed at 80% level; 16 clusters
have been installed and accurately debugged. The origin of a high level correlated noise has been identified
allowing us for a correction by modifying the cabling.
In the Naples laboratory the activity of design and testing of both trigger and data acquisition cards has been
prosecuted.
The study of the analog RPC response is underways.
The development of reconstruction algorithms (in C++ language) has been prosecuted.
2002 Program
Activity program in YangBaJing:
• Installation and testing of 400 RPCs.
• Installation of the cluster electronic (Local Station) for 30 clusters
• Installation of the Trigger Station and Central Station
• Data taking for 30 clusters
Activity program in Naples:
• Development of the trigger electronics
• Study of analog read-out of RPC by ‘big-pad’
• Development of the reconstruction algorithms (in C++ language)
• Study of a trigger suitable to select showers induced by C.R. in the range 101 - 103 TeV
Articoli su riviste internazionali:
1) The ARGO-YBJ experiment in Tibet, Il Nuovo Cimento 24C, 4-5, 739 (2001), Proc. of the "Chacaltaya
Meeting on Cosmic Ray Physics", La Paz (Bolivia) July 23-27, 2000.
155
2) Results from the analysis of data collected with a 50 m2 RPC carpet at YangBaJing, Nucl. Instr. Meth.
A456 (2001) 121, Proc. of the "5th International Workshop on RPCs and Related Detectors", Oct. 1999,
Bari (Italy).
Atti di congressi:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
27th International Cosmic Ray Conference (ICRC), Hamburg, Germany (Aug. 7-15, 2001)
Reconstruction of the EAS core position with the ARGO-YBJ detector, Paper OG 2.5, Vol. 7, p. 2927.
The ARGO-YBJ Level-1 DAQ System, Paper OG 2.5, Vol. 7, p. 2887.
The distributed RPC read-out system for the ARGO-YBJ experiment, Paper OG 2.5, Vol. 7, p. 2883.
A systematic study of the ARGO experiment Front-End electronics, Paper OG 2.5, Vol. 7, p. 2862.
An Object Oriented approach for the data management of the ARGO-YBJ experiment, Paper HE 1.8,
Vol. 2, p. 881.
7) Applicability of ANN in the ARGO-YBJ experiment, Paper HE 1.5, Vol. 2, p. 515.
8) Cosmic ray asymptotic directions for Yangbajing (Tibet) experiments, Paper SH 3.6, Vol. 10, p. 4106.
9) ARGO-YBJ: a high altitude detector for cosmic ray physics, XXXVIth Rencontres de Moriond, Les
Arcs, France (Jan. 20-27, 2001)
ESPERIMENTO AUGER
M. Ambrosio, A. Della Selva, D. D’Urso, S. Kyriazopoulou, L. Rosa, O. Pisanti
Attività 2001
L’esperimento Auger é una larga collaborazione internazionale comprendente circa 300 fisici
di 20 Paesi che si propone di costruire entro il 2005 un array di 1600 rivelatori Cerenkov ad
acqua coprente un territorio di 3000 kmq secondo una rete a maglie quadrate di 1.5 km. Al
centro dell’array una stazione di 18 specchi da 3 x 3 mq copre l’orizzonte in ogni direzione
per rivelare luce di fluorescenza indotta da raggi cosmici di energia superiore a 1019 eV,
mentre altre tre stazioni di 6 specchi ognuna poste alla periferia guardano verso il centro
dell’array allo scopo di ricostruire una vista stereoscopica degli eventi rivelati. L’obiettivo
principale é quello di dare una risposta definitiva sull’esistenza di sciami di energia superiore
a 1020 eV, di capirne la natura e investigare se provengono da sorgenti individuabili
nell’Universo. Il sito prescelto per l’esperimento si trova in Argentina, presso la cittadina di
Malargue, ai piedi delle Ande. A ottobre sono iniziati i turni di presa dati con i primi due
specchi della prima stazione di rivelazione della luce di fluorescenza nel sito di Los Leones a
10 Km da Malargue, ed è stato completato un array di prova di 40 Cerenkov disposti a 700 m
l’uno dall’altro nell’area coperta dagli specchi di fluorescenza. Questo ha permesso di
rivelare i primi eventi di sciami di altissima energia, alcuni dei quali “ibridi”, cioè rivelati sia
dagli specchi sia dai rivelatori Cerenkov.
La collaborazione italiana si é assunta l’impegno di costruire parte degli specchi e mettere a
punto l’elettronica, la calibrazione e il test dei 15.000 fotomoltiplicatori necessari alla
rivelazione della luce di fluorescenza. E’ inoltre impegnata nella costruzione dell’array sia
per quanto riguarda il test e la messa a punto dei fotomoltiplicatori, sia per la parte di partitori
ed elettronica di readout.
156
Il gruppo di Napoli è impegnato principalmente in due attività sperimentali di rilievo. La
prima consiste nell’allestire presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso una stazione di test
per verificare le prestazioni dei 1600 fototubi da 8 pollici recuperati dallo smontaggio
dell’esperimento Macro. 1200 di questi saranno infatti utilizzati sui rivelatori Cerenkov di
Auger se risulteranno idonei da tali test. La seconda attività sperimentale consiste nel mettere
a punto l’apparato di calibrazione dei fotomoltiplicatori per la rivelazione della luce di
fluorescenza. Come attività teorica invece si sta verificando la possibilità di Auger di rivelare
eventi di interazioni di neutrini di altissima energia con l’atmosfera terrestre.
Nel 2001 è stata allestita la stazione di test dei fototubi di Macro presso il Laboratorio del
Gran Sasso, dove si è provveduto a catalogare e sistemare i fototubi, a mettere a punto le
procedure di test e ad allestire il laboratorio di misura. Questa attività ha portato alla fornitura
dei primi 27 fotomoltiplicatori di Macro da installare in Auger. Nel laboratorio del gruppo
invece è stata preparata la stazione di test che consente la calibrazione automatica, tramite
elettronica VME, di 24 fototubi alla volta per l’apparato di fluorescenza. Per lo studio delle
interazioni di neutrini di altissima energia con l’apparato terrestre è stato invece installato a
Napoli il Montecarlo Herwig, sviluppato al CERN e utilizzato nella fisica degli acceleratori,
ed è stato interfacciato con il Montecarlo Corsika, sviluppato presso il Centro di Ricerca di
Karlsruhe e utilizzato intensamente nella fisica dei raggi cosmici.
Programma 2002
Nel 2002 è previsto il completamento dell’attività di test sui fototubi di fluorescenza e la
fornitura di circa 500 fototubi di Macro per l’array esteso. Per tali fototubi si dovrà anche
sviluppare il partitore adeguato alle necessità di Auger. Si avvierà anche il lavoro di analisi
dati con particolare riguardo alla ricostruzione degli eventi di fluorescenza.
The Auger experiment groups a large international collaboration whose efforts are devoted to build in
Argentina a 3000 km2 water Cerenkov ground array for detection of very high energy (>1019 eV) cosmic rays. In
addition three fluorescence detectors on the array periphery and one on its centre will detect in coincidence the
showers allowing a precise primary energy measurement.
The Italian collaboration is mainly involved in the construction of fluorescence detectors. First two are been
installed in Malargue site and are fully in operation since October 2001.
Pubblicazioni e comunicazioni a Congressi 2001
-
M. Ambrosio et al.: “The Camera of the Auger Fluorescence Detector” IEEE Transactions on nuclear
Science, Vol. 48, No. 3, June 2001
T.Dova; “Survey of the Pierre Auger Observatory” 27th International Cosmic Ray Conference, Agosto
2001, Amburgo, Germania
J. Looyd-Evans: “Aperture and Precision of the Auger Surface Detector” 27th International Cosmic
Ray Conference, Agosto 2001, Amburgo, Germania
R. Cester: “The Aperture, Sensitivity, and Precision of the Auger Fluorescence Detector” 27th
International Cosmic Ray Conference, Agosto 2001, Amburgo, Germania
B. Dawson: “The Hybrid Aperture and Precision of the Auger Observatory” 27th International Cosmic
Letessier-Selvon: “Neutrino Sensitivity and Background Rejection of the Auger” Observatory 27th
International Cosmic Ray Conference, Agosto 2001, Amburgo, Germania
157
-
Allekotte: “Status of the Auger Engineering Array” 27th International Cosmic Ray Conference, Agosto
2001, Amburgo, Germania
H. Gemmeke: “The Auger Fluorescence Detector Electronics” 27th International Cosmic Ray
Conference, Agosto 2001, Amburgo, Germania
J.A. Matthews: “Atmospheric Monitoring for the Auger Fluorescence Detector” 27th International
Cosmic Ray Conference, Agosto 2001, Amburgo, Germania
T. Suomijarvi: “Surface Detector Electronics for the Auger Observatory” 27th International Cosmic
P.D.J. Clark: “Communications in the Auger Observatory” 27th International Cosmic Ray Conference,
Agosto 2001, Amburgo, Germania
ESPERIMENTO GSC2
M. Ambrosio
Attività 2001
GSC2 è un programma di ricerca e sviluppo condotto in collaborazione con gruppi del
LNGS, di Milano e di Torino. Esso si propone di sviluppare e caratterizzare nuovi tipi di
rivelatori a piatti resistivi, nei quali gli elettrodi sono costituiti da normali lastre di vetro
commerciale di 2 mm di spessore sottoposte a serigrafia con vernice resistiva per dotarle
delle necessarie caratteristiche elettrostatiche. I rivelatori così ottenuti, di dimensioni 25 x
110 cm2, vengono incapsulati in un involucro di noryl che presenta alle estremità le bocchette
di immissione del gas e i contatti per l’applicazione dell’alta tensione.
Nel 2001 si è riusciti a mettere a punto i procedimenti industriali di serigrafia resistiva, e si
sono prodotti i primi rivelatori con tali caratteristiche. I test preliminari hanno evidenziato un
comportamento del rivelatore estremamente stabile e pienamente rispondente alle aspettative,
al punto che si sta considerando la possibilità di installare tali rivelatori nell’esperimento
OPERA.
The GSC2 R&D program has been developed in collaboration with LNGS, Milano and Torino groups. The main
goal reached during the 2001 has been the semi-industrial production of glass resistive plate counter with silkprinted resistive electrodes, commercial float glass and noryl envelope. Detectors are 25x110 cm2 large, easily
assembled and connected to gas flow system and high power generators.
The large and cheap industrial production capability opens the possibility to realize large area detectors with
relatively low effort. On this line a proposal of building with glass RPCs the trigger layers of OPERA
experiment is under discussion.
Presentazione a Congressi:
M.Ambrosio et al: “Performance of Glass RPC with industrial silk-screen printed electrodes” VI workshop on
Resistive Plate Counter and Related detectors – Coimbra (Portogallo) – Novembre 2001
158
ESPERIMENTO PAMELA
The Pamela equipment will be installed on board the Russian satellite Resurs. Pamela is
conceived mainly to study the antiproton and positron fluxes in cosmic rays and to search
antinuclei. The Pamela telescope consist of: a magnetic spectrometer made up of a permanent
magnet system equipped with double sided microstrip silicon detector; a transition radiation
detector made up of active layers of proportional straw tubes interleaved with carbon fibre
radiators; and a silicon-tungsten imaging calorimeter made up of layers of tungsten absorbers
and silicon detector planes. A time-of-flight system and anti-coincidence counters complete
the Pamela equipment.
-
The PAMELA Experiment on Satellite and its Capability in Cosmic Rays Measurements Nuclear
Instruments and Methods, A 478 (2002), 114-118 (PDF)
The PAMELA experiment 27th ICRC, OG 2215, Hamburg, 2001. ( PDF )
The anticoincidence shield of the PAMELA satellite experiment J. Lund and M. Pearce, 7th Int. Conf.
on Advanced Technology and Particle Physics, Villa Olmo, Como 15-19 October 2001
Measurement of primary protons and electrons in the energy range of 1011-1013 eV in the PAMELA
experiment 27th ICRC, OG 2219, Hamburg, 2001.
The Transition Radiation Detector for the PAMELA experiment 27th ICRC, OG 2223, Hamburg,
2001.
159
160
FISICA TEORICA
(Responsabile Prof. Francesco Nicodemi)
161
162
SIMMETRIE, TEORIA DEI CAMPI E FISICA DELLA GRAVITAZIONE
G. Bimonte, G. Esposito*, M. Giordano, F. Lizzi. G. Marmo, V. Marotta*, G. Platania, C. Rubano, A. Simoni,
A. Sciarrino, P. Scudellaro, C. Stornaiolo*, F. Zaccaria, G. Covone*, E. Piedipalumbo*, A.A. Marino*, M.
Sereno*, G. Sparano*
Questo settore comprende le seguenti linee di ricerca:
- quantizzazione dei sistemi fisici usando la teoria dei gruppi classici e dei gruppi deformati;
- moto di corpi estesi in campi gravitazionali;
- studio di spazi-tempo non commutativi;
- proprietà del campo scalare accoppiato alla gravità e teorie di quintessenza;
- applicazioni del lensing gravitazionale in ambito galattico e cosmologico;
- singolarità in fisica della gravitazione e meccanica quantistica;
- simmetrie deformate e algebre quantiche.
L’attività ha riguardato principalmente i temi seguenti:
1) Si è studiata l'algebra delle trasformazioni di gauge di una teoria U(1) definita su un piano
noncommutativo. Si sono scritte le regole di commutazione, le costanti di struttura etc. Si
sono elucidate le connessioni con il gruppo su (infinito) e una deformazione dell'algebra dei
diffeomorfismi.
2) E' stata introdotta una classe di prodotti noncommutativi su spazi a tre dimensioni che
generalizzano tutte le algebre di Lie tridimensionali.
3) si è visto come un modello di interazione di gauge basato sulla geometria noncommutativa
possa risolvere il problema della gerarchia in modo analogo al modello di Randall-Sundrum.
4) E’ stato dimostrato come costruire opportune coppie di operatori per realizzare mappe non
canoniche che riproducono l'effetto di un commutatore q-deformato tra operatori di creazione
e distruzione.
5) E' stato studiato il caso di f-oscillatori presenti nella dinamica di ioni in interazione con
campi laser.
6) Si è continuata a studiare la formulazione à la von Neumann della meccanica quantistica,
proponendo una legge di composizione di matrici densità che corrisponda alla somma di
vettori nello spazio di Hilbert.
7) In un ambito di studi cosmologici classici, tramite l'utilizzo di soluzioni esatte per una
classe di modelli dipendenti da un parametro libero, si è potuta individuare una famiglia di
potenziali inversamente proporzionali ad una potenza del campo scalare che soddisfano i
criteri generali per trovarsi in presenza di quintessenza. Oltre a confrontare scenari siffatti
con quelli dotati di una costante cosmologica effettiva e a porsi problemi di ricostruzione del
potenziale del campo scalare e di determinazione delle distanze in universi disomogenei, si
sono anche messe in evidenza delle connessioni con la simmetria di dualità esistente per il
fattore di scala nelle cosmologie di stringa, dimostrando che essa vincola drasticamente certi
tipi di potenziale da prendere in esame.
163
L'indagine sulla quintessenza si è poi spostata verso il confronto con la fenomenologia,
tramite la produzione di modelli cosmologici esatti con campo scalare in accoppiamento
minimo con la gravitazione in presenza di potenziali esponenziali. Si è così , tra l'altro, potuto
rilevare come i dati osservativi sulle supernovae di tipo Ia siano facilmente spiegabili anche
attraverso l'introduzione di una semplice componente di quintessenza del genere. Si sta ora
indagando, inoltre, su come la conoscenza di soluzioni generali esatte possa consentire di
affrontare il problema dell'accelerazione eterna, che solleva serie difficoltà interpretative se
inserita in una cosmologia di stringa. In presenza di una semplice combinazione di potenziali
esponenziali, infatti, la soluzione esatta presenta delle oscillazioni che sembrano promettenti
per possibili tentativi di soluzione del problema. Non richiedendo il ricorso ad accoppiamenti
tra campo scalare e polvere nel futuro quadro cosmologico, o altre più esotiche circostanze,
appare possibile ottenere una opportuna fase di decelerazione successiva alla presente di
accelerazione. Riguardo alle indagini sul lensing gravitazionale, le si è portate avanti sia su
scala locale (a livello galattico o verso M31), con il cosiddetto microlensing, sia su scala
cosmologica. In quest'ultimo ambito, sono stati studiati soprattutto il time delay (con i
problemi relativi ai modelli di lente), mentre anche il weak lensing e le strutture su grande
scala sono attualmente indagati per apprendere, anzitutto, a descrivere adeguatamente le
osservazioni esistenti e poterle, poi, interpretare in modo da trarne insegnamenti utili alla
strutturazione più avveduta di un modello cosmologico.
In relazione ai suddetti più recenti campi d'indagine sul lensing cosmologico, si stanno
prendendo importanti contatti con diversi ricercatori di primo piano (S. Refsdal, J.
Wambsganns, P. Schneider, V. Möller), al fine di realizzare progetti comuni (in taluni casi già
intrapresi).
8) E` stata sviluppata una nuova tecnica per studiare la radiazione gravitazionale prodotta
nelle collisioni assisimmetriche di buchi neri alla velocità della luce. Inoltre, è stata
completata una monografia sulla gravitazione quantistica in 4 dimensioni, in cui si mostra tra
l'altro che lo stato quantistico dell'universo primordiale potrebbe essere stato del tipo di
"superficie", generalizzando quanto noto in altri rami della fisica moderna.
Nel Luglio 2001 è stata organizzata a Napoli la Conferenza "International Meeting on
Quantum Gravity and Spectral Geometry", con 62 partecipanti da 15 paesi e Atti pubblicati
nel Gennaio 2002 nella rivista Nucl. Phys. B Proc. Suppl.
9) In relazione all'uso delle algebre quantiche è continuata l'analisi del modello di codice
genetico basato sull'algebra Uq(sl(2) + sl(2)) nel limite q-->0. In particolare si sono
evidenziate alcune correlazioni sulla frequenza d'uso dei codoni, che sono in accordo con in
modello.
Pubblicazioni
1.
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Beckers J, Debergh N, Carinena JF, G. Marmo et al. Non-Hermitian oscillator-like Hamiltonians and
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Carinena JF, Grabowski J, Marmo G, Some physical applications of systems of differential equations
admitting a superposition rule; REP MATH PHYS 48 (1-2): 47-58 AUG-OCT 2001
Carinena JF, Grabowski J, Marmo G, Contractions: Nijenhuis and Saletan tensors for general algebraic
structures J PHYS A-MATH GEN 34 (18): 3769-3789 MAY 11, 2001
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of Geometric Phases for Multi-Level Quantum Systems. A Unitary Group Approach.", Int. J. Mod. Phys.
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*Naples 2001, Quantum gravity and spectral geometry* 143-149
5. L. Castellani, (ed.), G. Landi, (ed.), F. Lizzi, (ed.), noncommutative geometry and hopf algebras in field
theory and particle physics. proceedings, euroconference, turin, ITALY, SEPTEMBER 20-30, 1999. Int. J.
Mod. Phys. B14 (2000) 2287-2509
Pubblicazioni
1. E. Ercolessi, G. Marmo e G. Morandi, "Alternative Hamiltonian Descriptions and Statistical Mechanics"
Preprint (2001), inviato a Int. J. Mod. Phys. A.
2. G. Marmo, G. Morandi, A. Simoni e F. Ventriglia, " Alternative Structures and Bi-hamiltonian Systems",
Preprint (2001), inviato a J. Phys. A.
3. G. Esposito, "A Spectral Approach to Yang-Mills Theory", DSF preprint 2001/18, HEP-TH 0107069,
accettato per la pubblicazione in Int. J. Mod. Phys. A.
4. F. Lizzi, Gianpiero Mangano, G. Miele, Marco Peloso, Cosmological perturbations and short distance
physics from noncommutative geometry. DSF-06-02 (Mar 2002) 18p. [HEP-TH 0203099]
5. G. Esposito, "A New Application of Non-Canonical Maps in Quantum Mechanics", DSF preprint 2001/28,
QUANT-PH 0109036, accettato per la pubblicazione in Int. J. Theor. Phys.
165
6. E. Calloni, L. Di Fiore, G. Esposito, L. Milano e L. Rosa, "Gravitational Effects on a Rigid Casimir Cavity",
DSF preprint 2001/32, QUANT-PH 0109142, accettato per la pubblicazione in Int. J. Mod. Phys. A.
7. E. Calloni, L. Di Fiore, G. Esposito, L. Milano e L. Rosa, "Vacuum Fluctuation Force on a Rigid Casimir
Cavity in a Gravitational Field", DSF preprint 2001/30, QUANT-PH 0109091, accettato per la pubblicazione
in Phys. Lett. A.
8. G. Esposito, "New Photon Propagators in Quantum Electrodynamics", DSF preprint 2001/33, Atti della terza
Sakharov Conference.
9. S. Calchi Novati, A. Marino, G. Covone, et al. Microlensing candidate events towards the Andromeda
galaxy, Astron. Astrophys. 381, 848-861 (2002)
10. M. Pavlov, C. Rubano, M. Sazhin, P. Scudellaro, Analysis of two quintessence models with Type Ia
supernova data, Astrophys. J. 566, 619-622 (2002).
11. C. Rubano, P. Scudellaro, On some exponential potentials for a cosmological scalar field as quintessence,
Gen. Rel. Grav. 34, 307-328 (2002).
12. S. Capozziello, C. Rubano, P. Scudellaro, Oscillating quintessence? in: XIII Rencontres de Blois: Frontiers
of the Universe (Blois, June 17-23, 2001), eds. J. Tran Thanh Van et al., Edition Frontiers, France, EDP
Sciences (2002).
Libri
G. Esposito, "Quantum Gravity in Four Dimensions", 153 pagine, New York: Nova Science (2001)
SYMMETRIES, FIELD THEORY AND THE PHYSICS OF GRAVITATION
The research activity of this group concentrated on the followig topics:
1) We studied the algebra of gauge transformations in a U(1) theory, definied on a non-commutative plane.
Commutation rules, structure constants etc. were found. The relationship with the group su (infinity) was
elucidated.
2) A class of non-commutative products on three dimensional spaces have been found, that generalizes the threedimensional Lie algebras.
3) It has been shown that a gauge interaction model based on non-commutative geometry can solve the
hierarchy problem, in a way analogous to the Randall-Sunfrum model.
4) It has been shown how to construct pair of operators in order to realize non canonical maps, that reproduce
the effect of a q-deformed commutator among annahilation and creation operators.
5) The occurrence of f-oscillators in the dynamics of ions interacting with laser fields has been studied.
6) The study of the Von Neumann formulation for quantum mechanics has been developed. A composition law
for density matrices that corresponds to the vector sum in the Hilbert space of pure states has been proposed.
7) Among other classical cosmological studies, through the use of exact solutions for a class of models
depending on a free parameter, we could find a family of inverse power-law potentials for the scalar field,
satisfying the general criteria for quintessence. Besides comparing such scenarios with those with an effective
cosmological constant and posing problems of reconstruction of the scalar field potential and of distance
determination in inhomogeneous universes, we have also evidentiated some connections with the duality
symmetry existing for the scale factor in string cosmology, showing that it drastically constrains some types of
examined potentials. It has also been possible to understand how observational data on Type Ia Supernovae are
easily described also through the introduction of such a simple quintessence component.
We are now investigating on how the knowledge of general exact solutions may allow to face the problem of
ethernal acceleration, rising serious interpretative difficulties when inserted in string cosmology. As a matter of
fact, in presence of a simple combination of exponential potentials the exact solution shows some oscillations
appearing promising for possible solutions of the problem. Since that does not require couplings between scalar
field and dust in the late cosmological picture, or any other more exotic circumstances, it seems possible to get a
suitable deceleration stage next to the present accelerated one. As to investigations on gravitational lensing,
166
they have been done both on a local scale (on a Galactic level or towards M31), by means of the socalled
microlensing, and on a cosmological scale. In this last field, we have studied time delay (with the problems
related to the lens modelling) above all, while weak lensing and large scale structures are now investigated in
order to learn, first of all, to describe existing observations adequately and, later, interpret them in such a way
to get useful teachings about a more skilled structuring of a cosmological model.
In connection with such more recent fields of interest in cosmological lensing, we are in important contacts with
some first-order researchers (S. Refsdal, J. Wambsganns, P. Schneider, V. Möller), in order to realize common
plans (which have, in some cases, already begun).
8) A new technique has been developed for the analysis of gravitational radiation produced by axisymmetric
black hole collisions at the speed of light. Moreover, a research monograph on quantum gravity in four
dimensions has been completed, where it is shown under which boundary conditions the quantum state of the
early universe might have been of surface type, generalizing what is known in other branches of modern physics
(i.e. Bose-Einstein condensation models). In July 2001 we have organized at Naples the Conference
"International Meeting on Quantum Gravity and Spectral Geometry", with 62 participants from 15 countries,
and Proceedings published in the January 2002 issue of Nucl. Phys. B Proc. Suppl. (Vol. 104).
9) In relation to the use of deformed algebras, further analysis of the genetic code model based on the Uq -->0
(sl(2) +sl(2)) algebra has been performed, in particular some correlations on the codon usage frequency have
been discovered which fit well in the model.
FENOMENOLOGIA DELLE PARTICELLE ELEMENTARI
F. Buccella, G. Cosenza, G. D'Ambrosio, A. Della Selva, D. Falcone*,
K. Nakagawa, G. Ricciardi, P. Santorelli, F. Tramontano*.
Questo settore comprende schematicamente le seguenti linee di ricerca:
A1) Studio delle oscillazioni dei neutrini in teorie di grande unificazione con gruppo di gauge
SO(10):
Attraverso uno studio generale nel contesto delle teorie di gauge unificate con SO(10) della
matrice di massa dei neutrini destrorsi si e' arrivati alla conclusione che dalle richieste di
compatibilità con i fenomeni di oscillazione rivelati per i neutrini solari ed atmosferici e di
avere elementi di matrice non nulli dello stesso ordine si predice per la scala delle masse dei
neutrini destrorsi un valore vicino alla scala di rottura spontanea di B - L nella teoria con
simmetria intermedia SU(4) x SU(2) x SU(2).
A2) Studio delle funzioni di struttura dei nucleoni:
Si sono confrontate le predizioni di un modello di termalizzazione per la produzione di pioni
in reazioni nucleari di altissima energia con i dati sperimentali della diffusione profondamente
inelastica e degli urti elettrone-positrone di alta energia, che ci aspetta abbiano proprietà
simili. Il buon accordo con i dati sperimentali e' una conferma della validità dell'approccio
seguito.
A3) Funzioni di forma dei nucleoni e QCD
Abbiamo analizzato alcune proprieta' di rinormalizzazione della shape function e dato una
completa descrizione del matching con la QCD. Abbiamo mostrato come operare il matching
167
con la QCD, sia quando la regolarizzazione e' un cut-off duro sia in regolarizzazione
dimensionale. Abbiamo anche studiato problemi di regolarizzazione infrarosse nei
decadimenti rari.
Si pensa di proseguire queste ricerche stimolati, per quanto riguarda le masse dei neutrini
dalle implicazioni piu' stringenti degli esperimenti di seconda generazione,come SNO, e per
quanto riguarda la produzione di adroni estendere la descrizione ai caoni e alle altre particelle
piu' pesanti.
In QCD perturbativa, le sezioni d'urto di processi semi-inclusivi sono soggette a grandi
correzioni logaritmiche, dovute a gluoni soffici, in particolari regioni dello spazio delle fasi.
Queste correzioni vanno risommate a tutti gli ordini nella costante di accoppiamento forte. Ci
proponiamo di studiare le proprieta' di risommazione dei grandi logaritmi e dei problemi,
collegati, di fattorizzazione.
A1)In the framework of SO(10) gauge unified theories one has studied the right-handed neutrino mass-matrix by
demanding that their non-vanishing matrix elements are not too different in order of magnitude.As a result we
vind that their scale is around the scale of B-L spontaneous symmetry breaking in the theory with SU(4) x SU(2)
x SU(2) intermediate symmetry.
A2)The production of pions in very high energy nuclear reactions, in deep inelastid scattering and in high
energy elettron-positron scattering is successfully compared with data within a thermalization approach.
A3) Funzioni di forma dei nucleoni e QCD
We have analyzed some renormalization properties of the shape function and given a complete description of
the matching onto the full QCD theory. We have shown how the shape function can be consistently matched onto
full QCD both with a hard cutoff and with dimensional regularization.We have also studied the problems of
infrared regularization in rare decays.
These researches will be continued, on the basis of the more constraining information on neutrino oscillations
coming from the second generation experiments, as SNO, and with the extension to kaons and heavier particles
of the concepts developed for pions. In perturbative QCD, the cross sections for semi-inclusive processes receive
large logarithmic corrections, originating from soft gluon radiation, in some regions of phase space. These
corrections need resummation to all orders in the strong coupling constant. We wish to study the resummation
properties of the large logarithms and of the connected problems of factorization.
Pubblicazioni
1. SO(10) inspired see-saw model (F. Buccella e M.Abud) Int.J.Mod.Phys. A16 (2001), 609
2. Multihadron production at high energies : a thermodynamical approach (F. Buccella e L.Popova) BGNS
Transactions 6 58 (2001)
3. G. Ricciardi, "The structure function of semi-inclusive charmless B decays", J.Phys.G27 (2001) 1175.
4. L. Reina, G. Ricciardi, "The b->s gamma gamma induced rare decays" J.Phys.G27 (2001) 1173.
5. F. Borzumati, G. Ricciardi, et al. "Semi-leptonic and rare decays", J. Phys.G.27 (2001) 1159.
TEORIE CHIRALI, VIOLAZIONE DI CP E DECADIMENTI DEI MESONI K
1) Nell'ambito del Modello Standard si studiano i decadimenti rari dei mesoni K e B per
determinare accuratamente gli angoli di CKM. In alcuni canali gli effetti di lunga distanza
debbono essere studiati accuratamente.
168
2) Nel tentativo di andare oltre il Modello Standard si mostra che i diquark, bosoni scalari che
sotto il gruppo del Modello standard, SU(3)*SU(2)*U(1) si trasformano come (3,1,1/3),
presenti in diverse estensioni rilevanti del modello standard possono: i) innalzare i
decadimenti del charm doppio Cabibbo soppressi, spiegare la regola Delta I=1/2 e ii)
innalzare le corrispondenti ampiezze violanti CP. Anche effetti di supersimmetria sono
studiati.
Activity Report
1)Standard Model rare Kaon and beauty decays are studied to determine accurately the CKM matrix elements.
In some decays long distance contributions must be under control.
2) In attempts to go beyond the Standard Model it is shown that the new particle diquark, which transforms
under the Standard Model Group, SU(3)*SU(2)*U(1) , as (3,1,1/3), and are present in several relevant
extensions of the SM can : i) enhance double Caibbo suppressed charm decays and explain the Delta I=1/2 rule
and enhance ii) the corresponding CP violating amplitudes.
Also supersymmetric extensions are investigated.
Pubblicazioni:
1. A.~Belyaev et al. [Kaon Physics Working Group Collaboration], ``Kaon physics with a high-intensity
proton driver,'' arXiv:hep-ph/0107046.
2. ``Radiative rare kaon decays'', Talk plenario su invito a `` KAON 2001'', Pisa, Giugno 2001, arXiv:hepph/0110354.
Lavori su rivista:
1) ``The diquark model: New physics effects for charm and kaon decays'' (in collaborazione con D.~N.~Gao),
Phys. Lett. {\bf B 513} (2001) 123, hep-ph/0105078.
2) ``Long-distance contribution to the muon polarization asymmetry in $K^+ \to \pi^+ \mu ^+ \mu ^-$ '' (in
collaborazione con D.~N.~Gao), Phys.\ Rev.\ D {\bf 65} (2002) 076001, hep-ph/0111118.
3) ``$K^+ \to \pi^+ \nu \bar{\nu}$: A rising star on the stage of flavour physics'' (in collaborazione con
G.~Isidori),
Phys.\ Lett.\ B {\bf 530} (2002) 108, hep-ph/0112135.
C) FISICA DEI MESONI PESANTI B E D LORO DECADIMENTI E VIOLAZIONE
DI CP
E' stato analizzato il contributo di operatori non fattorizzabili alle frazioni di decadimento del
B in due mesoni pseudoscalari leggeri, mostrando che tale contributo, in generale soppresso
in 1/m, e' numericamente rilevante. Dall'analisi delle asimmetrie di CP ne consegue una
grossa violazione che
aspetta conferma sperimentale. Abbiamo anche studiato i decadimenti semileptonici dei
mesoni Bc nell'ambito di un nostro modello a quark relativistico per il quale e' possibile
ottenere, nel limite di massa infinita, le predizioni della teoria effettiva per i quark pesanti.
In prospettiva si intendono studiare tutti i decadimenti non-leptonici del B in due corpi (senza
charm) per valutare il contributo di operatori non fattorizzabili. Tali canali sono di interesse
per lo studio della violazione di CP.
We have estimated the contribution of penguin operators to B => K +pi, due to the intermediate charmed
particles. Our calculation is based on the chiral effective lagrangian for light and heavy mesons. Our
169
predictions are in agreement with the experimental data. We study the semileptonic decays of Bc meson in the
framework of our relativistic quark model. Our results are compared with the ones of other calculations and
with the available experimental data.
We will study the charmless non-leptonic decays of B meson taking into account the contributions coming from
the charming penguin operators. These channels are very useful to study CP violation.
Pubblicazioni:
1) charming penguin contributions to B ---> K+ Pi. C. Isola, M. Ladisa, G. Nardulli, T.N. Pham, P. Santorelli.
Phys. Rev. D64: 014029, 2001 [hep-ph/0101118]
2) the semileptonic decays of the B(C) meson. M. A. Ivanov, J.G. Korner, P. Santorelli.
Phys. Rev. D63: 074010, 2001 [hep-ph/0007169]
FISICA ASTROPARTICELLARE
A. Della Selva, E. Di Grezia, S. Esposito*, G. Mangano, G. Miele, I.Picardi,
O. Pisanti, L. Rosa
Tra i principali obiettivi della Fisica Astroparticellare c'è sicuramente l'ottenimento di
informazioni sulla fisica delle interazioni fondamentali da dati osservativi di origine
cosmologica o astrofisica. In questo ambito, l'attività scientifica della nostra unità di ricerca si
è principalmente articolata sulle seguenti tematiche astroparticellari:
1. Nucleosintesi Primordiale e anisotropia della radiazione elettromagnetica di fondo;
2. Fisica dei neutrini e sue implicazioni in astrofisica e cosmologia;
1. La sintesi primordiale degli elementi più leggeri quali H, D, 3He, 4He e 7Li nella fase in
cui l'universo era caratterizzato da temperature comprese tra 1 e 0.01 MeV, detta appunto
nucleosintesi primordiale (BBN), rappresenta una delle più chiare evidenze in favore della
teoria dell'Hot Big Bang. Essa essendo prodotta da fisica nota (fisica nucleare ed
elettrodebole), nello scenario standard, risulta dipendere dalla sola quantità di radiazione in
forma di neutrini e dalla quantità di barioni presenti. In questo ambito, la crescente precisione
nella misura delle abbondanze primordiali di D, 4He e 7Li impone una sempre migliore
accuratezza nelle corrispondenti predizioni teoriche della BBN. In questa direzione il nostro
gruppo negli ultimi anni ha sviluppato un nuovo codice numerico, che è in grado di competere
per precisione con le nuove osservazioni sperimentali. La maggior precisione, rispetto a
codici già esistenti, è stata conseguita attraverso l'utilizzo di metodi numerici più sofisticati e
principalmente dopo aver determinato l'incidenza di tutta una classe di fenomeni presenti nel
plasma primordiale e tipicamente trascurati perché considerati sottodominanti per le
precisioni sperimentali del passato. L'aver messo a punto uno strumento teorico di precisione
per l'analisi delle predizioni teoriche della nucleosintesi primordiale permette un più puntuale
confronto con altre stime dei parametri cosmologici, quali la frazione barionica e la frazione
in radiazione "neutrinica" dell'energia totale, che ci sono forniti dai recenti esperimenti sulla
radiazione elettromagnetica di fondo (CMB) [4,8].
L'analisi combinata sembra mostrare una spettacolare consistenza interna dello scenario
cosmologico standard permettendo anche di fissare dei limiti stringenti alle asimmetrie
neutrino-antineutrino non altrimenti facilmente stimabili. Dato l'alto grado di predittività della
BBN essa può essere anche usata come test di compatibilità per qualunque schema di fisica
fondamentale che modifichi in maniera significativa la dinamica del primo universo. In
170
questo senso, la possibile evidenza di una variazione nel tempo di un parametro come la
"costante" di struttura fine, che sembra venire dall'osservazione di talune proprietà delle
emissioni da Quasars ad alto red-shift, ha indotto il nostro gruppo in collaborazione con
ricercatori di altri istituti di ricerca ad effettuare una analisi dettagliata dell'evidenza statistica
di una tale variazione sia sulla CMB che sulla BBN [5]. Il risultato dello studio ha mostrato
che al momento, a parte i dati da Quasars, nessun osservabile cosmologico sembra indicare
una tale evidenza.
2. La Fisica dei neutrini è di particolare importanza in ambito astrofisica e cosmologico. Tale
rilevanza è dettata, a livello cosmologico, dal ruolo svolto dai neutrini fossili e da loro
possibili proprietà esotiche sulla dinamica del primo universo, mentre, a livello astrofisico,
dai meccanismi di produzione e di oscillazione dei neutrini emessi da stelle, supernovae e
AGN. Tali argomenti sono stati oggetto di studio da parte del nostro gruppo. In particolare per
i neutrini del fondo cosmico, si sono studiate le implicazioni sulla BBN di forti asimmetrie
neutrino/antineutrino [4,8]. Inoltre è stato effettuato un calcolo preciso dei termini di non
equilibrio termodinamico nelle distribuzioni dei neutrini fossili [3], che modificando il loro
contributo alla frazione in radiazione dell'energia totale dell'universo potrebbero essere
misurati da esperimenti di precisione sulla CMB come PLANCK. Per quanto riguarda i
neutrini di origine astrofisica sono state corrette per effetti radiativi le velocità di perdita di
energia sotto forma di neutrini del plasma stellare nel regime di alte temperature e densità
(stelle massicce) [2]. Si è inoltre iniziato lo studio delle caratteristiche degli sciami in
atmosfera indotti da neutrini di altissima energia come primari, eventi questi che potrebbero
essere rivelati dall' esperimento AUGER in via di costruzione.
ASTROPARTICLE PHYSICS
One of the main goals of the astroparticle physics certainly is obtaining information on fundamental interactions
from cosmological and astrophysical observables. In this framework, the scientific activity of our research unit
has mainly focused on the following astroparticle issues:
1. Primordial Nucleosynthesis, and anisotropy of Cosmic Microwave Background Radiation;
2. Neutrino Physics and implications on astrophysics and cosmology;
1. The synthesis of the lightest elements like H, D, 3He, 4He and 7Li in the primordial epoch in which the
universe had a temperature between 1 and 0.01 MeV, denoted as Primordial Nucleosynthesis (BBN), represents
one of the corner stones of Hot Big Bang model. Since it is based on "well-known" physics (nuclear and
electroweak physics), in the standard scenario, it depends on the neutrino energy fraction and on the quantity of
baryons only. In this framework the increasing precision in the experimental measurements of light nuclei
abundances, Deuterium, 4He and 7Li, requires a better accuracy in the corresponding theoretical predictions.
Our group has developed in the recent years a new numerical code, which has now reached a precision even
better than the experimental accuracy. This improved precision has been achieved by using more sophysticated
numerical methods and, basically by estimating the role of several plasma effects on the interaction rates which
were typically neglected because considered subdominant for the past experimental accuracy. Equipped with
this new theoretical tool to analyze primordial production of light nuclides, it is possible to perform a more
careful comparison of crucial cosmological parameters, such as the baryon fraction and the "effective" number
of neutrinos, with the corresponding values for these parameters obtained by the study of the Cosmic Microwave
Background Anysotropy (CMBA) data [4,8].
The combined analysis seems to show a spectacular inner consistency of the standard cosmological scenario,
and this allows also to fix stringent bounds on the neutrino asymmetry parameters not easily obtainable in a
different way. The high level of predictivity of BBN makes also possible to use it as a crucial test for any new
scheme of fundamental physics which sensibly modifies the early universe dynamics. This is the case for possible
physical scenarios in which fundamental parameters like the fine structure constant are function of time. An
evidence for this seems to be provided by the observation of some properties of Quasar emissions at high redshift. This claim has led our group in collaboration with researchers of other research institutes to performe a
detailed analysis of the statistical evidence of such a variation on cosmological observables like CMB and BBN
171
[5]. The result of this study does not support, on cosmological basis, the evidence of such variation which is
therefore only indicated by Quasars data.
2. Neutrino physics is particularly relevant for astrophysics and cosmology. Such importance is due to the role
played by background neutrinos and their possible exotic properties in the cosmological setting, and, for
astrophysics, to the production and oscillation mechanisms of neutrinos emitted from stars, supernovae, and
AGN. All these topics have been studied by our group. In particular, as far as the relic neutrinos are concerned,
we have studied the implication on BBN of strong neutrino-antineutrino asymmetries [4,8,13]. Moreover it has
also been performed a precise calculus of the out of equilibrium terms in the relic neutrinos distribution
functions [3,12]. These, modifying the neutrino contribution to the total radiation energy could be measured in
precision experiment on CMB like PLANCK. Concerning astrophysical neutrinos, we have computed the
radiative corrections to neutrino energy loss rate in the stellar interior in the regime of high temperature and
density (massive stars) [2]. Moreover, we have also started the study of the features of extremely high energy
neutrino induced showers in the atmosphere, since such events could be detected by the AUGER experiment
which is presently under construction.
Pubblicazioni
1. "Cosmological Perturbations and Short Distance Physics from Noncommutative Geometry", by F. Lizzi, G.
Mangano, G. Miele and M. Peloso,hepth/0203099, submitted for publication to JHEP
2. "Radiative Corrections to Neutrino Energy Loss Rate in Stellar Interiors", by S. Esposito, G. Mangano, G.
Miele, I. Picardi and O. Pisanti, Mod. Phys. Lett. A17 (2002) 491
3. "A Precision Calculation of the Effective Number of Cosmological Neutrinos", by G. Mangano, G. Miele, S.
Pastor and M. Peloso, astro-ph/0111408, to be published in Phys. Lett. B
4. "Constraining Neutrino Physics with BBN and CMBR", by S.H. Hansen, G. Mangano, A. Melchiorri, G.
Miele and O. Pisanti, Phys. Rev. D65 (2002) 023511
5. "Early Universe Constraints on a Time Varying Fine Structure Constant", by P.P. Avelino, S. Esposito, G.
Mangano, C.J.A.P. Martins, A. Melchiorri, G. Miele, O.Pisanti, G. Rocha and P.T.P. Viana, Phys. Rev. D64
(2001) 103505
6. "Bose-Einstein Condensation at Reheating", by G. Mangano, G. Miele, S. Pastor and M. Peloso, Phys. Rev.
D64 (2001) 123509
7. "Another Alternative to Compactification: Noncommutative Geometry and Randall-Sundrum Models", by F.
Lizzi, G. Mangano and G. Miele, Mod. Phys. Lett. A16 (2001) 1.
8. "Testing Standard and Degenerate Big Bang Nucleosynthesis with BOOMERanG and MAXIMA-1", by S.
Esposito, G. Mangano, A. Melchiorri, G. Miele and O. Pisanti, Phys. Rev. D63 (2001) 043004.
9. "Critical Exponents of the Gross-Neveau Model from the Effective Average Action", by L. Rosa, P. Vitale
and C. Wetterich, Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 958.
Relazioni a congressi
1. "A Degenerate Big Bang Nucleosynthesis from CMB Observations?", by S. Esposito, G.Mangano, G. Miele,
O. Pisanti, A. Melchiorri, Nucl. Phys. Proc. Suppl. 95 (2001) 63
2. "Primordial Nucleosynthesis, Cosmic Microwave Background and Neutrinos", by G. Mangano, A.
Melchiorri, O. Pisanti, Nucl. Phys. Proc. Suppl.100 (2001) 369.
172
TEORIE DI CAMPO CONFORMI, SISTEMI ALGEBRICI E MODELLI SOLUBILI
L.Cappiello, G. Cristofano, R. Figari, D. Giuliano, G. Maiella, V. Marotta
Linee di ricerca:
1) TEORIE DI CAMPO CONFORMI ED EFFETTO HALL QUANTISTICO:
A) Abbiamo costruito una teoria di campo conforme (CFT) effettiva, usando un procedimento
che induce condizioni al bordo twistate per i campi scalari fondamentali. Cio` permette di
descrivere un fluido Hall quantistico al filling della gerarchia di Jain pari a m/2mp+1, in
termini di un campo scalare carico e di m-1 campi neutri.
Tale costruzione viene estesa alla descrizione di un fluido Hall quantistico ai filling non
standard nu=m/pm+2. Anche in questo caso i campi primari chirali appaiono come operatori
composti di una componente carica e di una neutra. I modi neutri descrivono parafermioni e
contribuiscono alla funzione d'onda dello stato fondamentale con un Pfaffiano generalizzato.
Recentemente abbiamo analizzato le proprietà' modulari di tale CFT sul toro e abbiamo
mostrato che i gradi di liberta' che entrano nella nostra funzione di partizione naturalmente
vanno a completare una costruzione Z_2 -orbifold del modello di Halperin, per m=2. Viene
inoltre mostrato che il fenomeno di tunneling seleziona una sub-teoria, invariante per
trasformazioni di twist, che viene identificata con il modello di Moore-Read.
B) Considerando un modello su reticolo in due dimensioni(Cardy-Rabinovici) e' stato
possibile individuare vuoti topologicamente non banali (con background elettrico e
magnetico), corrispondenti allo stato fondamentale di un fluido Hall quantistico per un fattore
di riempimento generico. Il modello considerato ha una simmetria discreta infinita SL(2,Z),
che genera le "leggi fenomenologiche degli stati corrispondenti" trovate da Kivelson et al..
Questa simmetria discreta permette di dare una descrizione universale dei punti fissi attrattivi
nell'infrarosso in termini di teorie conformi in due dimensioni.
C) Abbiamo mostrato che un sistema di D-brane interagenti puo' essere modellato come un
fluido Hall quantistico. In un tale sistema il fenomeno di condensazione del tachione induce
una transizione da una teoria conforme effettiva ,che lo descrive, con carica centrale c=2 ad
una teoria superconforme N=2 con carica centrale c=3/2.
A) We have constructed an effective conformal field theory (CFT), by using a procedure which induces twisted
boundary conditions for the fundamental scalar fields. That allows to describe a Quantum Hall Fluid at the Jain
filling m/(2pm+1), in terms of one charged scalar field and of m-1 neutral ones. B) Such a construction is
extended to the description of a Quantum Hall Fluid at the non-standard filling nu=m/pm+2. Also in this case
the chiral primary fields appear as composite operators with a charged as well as a neutral component. The
neutral modes describe parafermions and contribute to the ground state wave function with a generalized
Pfaffian term. Recently we have analilyzed the modular properties of such a CFT on a torus and show that the
degrees of freedom entering our partion function naturally go to complete a Z_2 -orbifold construction for the
Halperin state. Furthermore it is shown that the tunneling phenomenon selects out a twist invariant CFT which
is identified with the Moore-Read model.
B) By considering a 2D lattice model (Cardy-Rabinovici) it has been possible to find (in the presence of an
electric and magnetic background) topologically non trivial vacua, corresponding to the ground state of a
quantum Hall fluid at a generic filling. The considered model has an infinite discrete SL(2,Z) simmetry, which
generates the "phenomenological laws of corresponding states", found by Kivelson et al.. Such a discrete
173
simmetry allows for an universal description of the attractive infrared fixed points in terms of 2D conformal
theories.
C) We have shown that a system of interacting D-branes can be modelled as a quantum Hall fluid. In such a
system tackyon condensation induces a transition from an effective c=2 conformal field theory, describing it, to
a N=2 superconformal one with central charge c=3/2.
Pubblicazioni:
1. Conformal field theory description of the paired and parafermionic states in the quantum hall effect. By G.
Cristofano, G. Maiella, V. Marotta (Naples U. & INFN, Naples). Mod.Phys.Lett.A15:1679-1688,2000
2. The global phase diagram of a modular invariant two-dimensional statistical model. By G. Cristofano , D.
Giuliano and G. Maiella; Phys. Lett. B504 (2001) 345; e-Print Archive: hep-th/0011069
3. Tunnelling effects in a brane system and quantum hall physics. Luigi Cappiello, Gerardo Cristofano,
Giuseppe Maiella, Vincenzo Marotta: e-Print Archive: hep-th/0101033. To appear in Mod.Phys. Lett. A
Preprints:
1. Paired states on a torus. By Gerardo Cristofano, Giuseppe Maiella, Vincenzo Marotta, Giuliano Niccoli
e-Print Archive: cond-mat/0204575
2) MODELLI RISOLUBILI IN MECCANICA QUANTISTICA:
Nell'ambito della teoria delle hamiltoniane con interazioni puntuali, in Meccanica Quantistica
non relativistica ed in teoria dei campi, abbiamo analizzato interazioni dipendenti dal tempo e
non lineari. Abbiamo trovato condizioni per l'esistenza di soluzioni globali e di soluzioni di
blow-up dell'equazione di Scroedinger con potenziali non lineari concentrati . Abbiamo
inoltre analizzato il meccanismo della decoerenza indotta dall'ambiente in un modello di
sistema aperto unidimensionale di particelle quantistiche. Il modello verra' esteso al caso
tridimensionale
2) SOLVABLE MODELS IN QUANTUM MECHANICS:
In the framework of the theory of point interaction hamiltonians, in non relativistic quantum physics and in
quantum field theory, time dependent and nonlinear potentials were analysed. We found necessary and sufficient
conditions for the existence of global solutions and of blow-up solutions of the Scroedinger Equation with
concentrated nonlinearities. We studied the mechanism of environment-induced decoherence in a model of open
system of quantum particles in one dimension. The model will be extended to the tridimensional case.
Pubblicazioni:
R. Adami, G.F. Dell'Antonio, R. Figari, A. Teta
Schroedinger Equation in Dimension Three with a Concentrated Nonlinearity
In corso di pubblicazione su Ann. Inst. H. Poincare', Analyse non lineaire
G.F. Dell'Antonio, R. Figari, A. Teta Decoherence and Classical Behaviour
in Quantum Mechanics - Proceedings della Conferenza "Determinism, Holism
and Complexity" Arcidosso (Gr), Kluwer 2002
174
TEORIE QUANTISTICHE DI CAMPO, TEORIE DI STRINGA E GRAVITA'
QUANTISTICA
L. Cappiello, F. Cuomo, G. Fiore, A. Liccardo*, R. Marotta,R. Musto, F. Nicodemi,
R. Pettorino, F. Pezzella, G. Sabella
Linee di ricerca:
1) TEORIE DI STRINGA E BRANA
Nell'ambito della teoria perturbativa di stringa e' stato realizzato il calcolo di ampiezze
tachioniche off-shell al tree level usando una prescrizione che si fonda sulla richiesta che
queste siano invarianti per trasformazioni proiettive. Tale risultato puo' costituire il punto di
partenza per la determinazione del potenziale effettivo tachionico da cui si possono ricavare
informazioni circa il meccanismo di condensazione del tachione.
2) CORRISPONDENZA TRA GRAVITA' E TEORIE DI GAUGE
Un'ulteriore linea di ricerca ha avuto come oggetto l'estensione della dualita' gauge/gravita' a
casi non invarianti conformi e con meno supersimmetria. Le D-brane frazionarie di modelli
con orbifold forniscono un naturale e semplice ambito in cui poter studiare tali aspetti nel
caso di teorie con supersimmetria N=2. Usando lo strumento essenziale della descrizione
conforme del sistema di brane fornito dallo "stato di bordo", sono state trovate le soluzioni
della supergravita' classica associate alle D3 e D0 brane frazionarie delle teorie,
rispettivamente, IIB e IIA su K3. Nel caso di brane frazionarie la funzione beta del
corrispondente modello N=2 e' stata anche calcolata, trovando l'aspettato accordo con il
risultato della teoria di campo. Nonostante questi progressi, ci sono ancora molti problemi
aperti. In particolare intendiamo studiare come le correzioni istantoniche delle teorie di gauge
siano descritte dal punto di vista della supergravita' duale. Un risultato interessante in questo
contesto dovrebbe essere la comprensione e la derivazione della soluzione completa di
Seiberg-Witten della teoria di Yang-Mills N=2 dalla geometria classica prodotta dalle Dbrane frazionarie.
3) DUALITA' OLOGRAFICHE
Il problema centrale nello studio delle dualita' olografiche e' il calcolo di funzioni di
correlazione di teorie quantistiche di campo (TQC) dalle loro teorie duali. Sono state calcolate
le funzioni a un punto e a due punti in TQC che descrivono i flussi del gruppo di
rinormalizzazione verso i punti fissi conformi ultravioletti.
4) GRUPPI E SPAZI QUANTICI E LORO GEOMETRIA:
Nell'ambito della teoria delle rappresentazioni di gruppi e spazi quantici, data l'algebra
sottostante il prodotto semidiretto di un gruppo quantico "omogeneo" e di uno spazio quantico
(su cui esso agisca), sono state determinate trasformazioni di generatori in cui i generatori
dello spazio quantico "siano disaccoppiati" dai (cioè commutino coi) restanti.
Nell'ambito della teoria quantistica dei campi su spazi quantici, e' stata determinata una
soluzione ad un (anti)istantone per una teoria di Yang-Mills tipo SU_q(2) sullo spazio
quantico Euclideo 4-dimensionale.
175
STRING AND BRANE THEORIES
1) PERTURBATIVE STRING THEORY
It has been computed, in the framework of perturbative string theory, amplitudes with external off-shell tachyons
by using a prescription based on the requirement for off-shell amplitudes to be projective invariant.
These amplitudes can be used for studying tachyon condensation from the tachyon potential.
2) GAUGE-GRAVITY CORRESPONDENCE
A further line of research is in the direction of extending the usual guage/ gravity duality to cases without
conformal invariance and with a reduced amount of supersymmetry. The fractional D-branes of orbifold models
provide a natural and rather simple set-up to address these issues in the cases of theories with N=2
supersymmetry. By using the essential tool of the conformal description of the brane system given by the
"boundary state", it has been found the classical supergravity solutions associated to the D-3 and D-0 fractional
branes of, respectively, Type IIB and Type IIA on K3.
In the case of fractional branes the beta function of the coorresponding N=2 model has also been computed,
finding the expected agreement with the field theory result. Despite this progress, there are many unanswered
questions. In particular we plan to study how instanton corrections of the gauge theories are described from the
dual supergravity perspective. A very interesting result in this context would be the understanding and the
derivation of the full Seiberg-witten solution of the N=2 Yang-Mills theory from the classical geometry produced
by fractional D-branes.
3) HOLOGRAPHIC DUALITIES
The central problem in the study of holographic dualities is the calculation of quantum field theories (QFTs)
correlation functions from their dual theories. It has been computed one- and two-point functions in QFT's
describing renormalization group flows towards the ultraviolet conformal fixed point.
4) QUANTUM GOUPS AND SPACES AND THEIR GEOMETRY
In the context of representation theory of quantum groups and quantum spaces, given the algebra underlying the
cross-product of a "homogeneous" quantum group and a quantum space (acted upon by the former), we have
determined transformations of generators such that the generators of the quantum space "become decoupled"
from (i.e. commute with) the remaining. In the context of quantum field theory on quantum spaces, we have
determined a one (anti-)instanton solution for a Yang-Mills SU_q(2)-type theory on the 4-dimensional quantum
euclidean space.
Pubblicazioni:
1. F. Cuomo, R. Marotta, F. Nicodemi, R. Pettorino, F. Pezzella and G. Sabella, "Off-shell tachyon amplitudes:
analyticity and projective invariance", Mod. Phys. Lett. A16 (2001) 1035.
2. M. Frau, A. Liccardo and R. Musto, "The geometry of fractional branes", Nucl. Phys. B602 (2001) 39.
3. M. Bertolini, P. Di Vecchia, M. Frau, A. Lerda, R. Marotta and I. Pesando, "D-branes and their gauge duals",
JHEP 0102 (2001) 014.
4. J. Kalkkinen, D. Martelli and W. Mueck, "Holographic renormalization and anomalies", JHEP 0104 (2001)
036.
5. L. Cappiello and W. Mueck, "On the phase transistion of conformal field theories with holographic duals",
Phys. Lett. B522 (2001) 139
6. P. Merlatti and G. Sabella, "World-volume action for fractional branes", Nucl. Phys. B602 (2001) 453
7. B. L. Cerchiai, G. Fiore e J. Madore, ``Geometrical tools on the quantum Euclidean spaces'', Commun. Math.
Phys. 217 (2001), 521-554.
176
Proceedings:
G. Fiore, H. Steinhacker e J. Wess, “Unbraiding tranformations for braided tensor factors'',
Mod. Phys. Lett. A16 (2001), 261. Proceedings dell'euroconferenza ``Brane New World and Noncommutative
Geometry'', Torino, Villa Gualino, ottobre 2000. Edito da L. Castellani, G. Landi, F. Lizzi, Singapore, World
Scientific, 2001.
G. Fiore, M. Maceda, J. Madore, ``Some Metrics on the Manin Plane'', in ``Noncommutative Structures in
Mathematics and Physics'', 271-282. Proceedings del ``Nato Advanced Research
Workshop'', Kiev (Ucraina), settembre 2000. Edito da S. Duplij e J. Wess, Kluwer Academic Publishers Netherlands (2001).
Preprints:
1. M. Bertolini, P. Di Vecchia, M. Frau, A. Lerda and R. Marotta, "N=2 Gauge theories on systems of fractional
D3/D7 branes", hep-th/0107057, accettato per pubblicazione su Nucl. Phys. B
2. M. Bertolini, P. Di Vecchia, G. Ferretti and R. Marotta, "Fractional Branes and N=1 Gauge Theories", hepth/01128187, accettato per pubblicazione su Nucl. Phys. B
3. M. Bertolini, P. Di Vecchia and R. Marotta, "N=2 four-dimensional gauge theories from fractional branes",
hep-th/0112195
4. W. Mueck, "Correlation functions in holographic renormalization group flows", hep-th/0105270, accettato
per pubblicazione su Nucl. Phys. B
Si intendono approfondire queste linee di ricerca in particolare per giungere, usando le
proprieta' di dualita', a una comprensione del comportamento ad accoppiamento forte di teorie
piu' realistiche con meno super-simmetria o nelle quali questa sia completamente rotta.
MECCANICA STATISTICA DI SISTEMI DISORDINATI
A. Coniglio, A. de Candia, F. di Liberto, A. Fierro, M. Nicodemi, F. Peruggi, P.
Ruggiero, A. Caiazzo*, E. Del Gado*, C. De Michele*, M. Pica Ciamarra*
Questo gruppo si e' occupato principalmente dei seguenti temi:
Attivita' 2001:
A. La transizione vetrosa
Abbiamo studiato un modello reticolare in cui il disordine non scaturisce da interazioni che
possono essere positive o negative, come nel gas reticolare frustrato, ma e' conseguenza della
forma asimmetrica delle molecole, e l'interazione dipende dall'orientazione relativa di queste
ultime. Poiché durante l'evoluzione del sistema le particelle possono ruotare in modo
casuale, varierà in modo casuale anche la loro interazione. L'interazione tra le particelle è
una semplice interazione di volume escluso. E' stato studiato un modello puro, cioè con
tutte le molecole aventi la stessa forma, ed una miscela composta da due tipi di molecole con
forme differenti. Dai risultati ottenuti (tempi di rilassamento, coefficiente di diffusione,
funzioni di correlazione ed altri) e' evidente il comportamento vetroso del sistema.
Un altro campo di indagine e' rappresentato dallo studio di nuovi metodi di equilibratura per
liquidi sottoraffreddati e la loro applicazione a semplici sistemi vetrosi, come sistemi
177
monoatomici con potenziale anti-cristiallino, misture biatomiche Lennard-Jones, misture
biatomiche di sfere soffici.
B. Materiali granulari
Abbiamo lavorato allo sviluppo di un approccio meccanico statistico agli stati inerenti nei
vetri e nei mezzi granulari, seguendo le idee originariamente sviluppate da Edwards per i
mezzi granulari. In particolare abbiamo considerato una dinamica a “tap” nello spazio degli
stati inerenti, analoga alla dinamica realmente usata nei mezzi granulari. Noi assumiamo che
in regime di stazionarieta' la distribuzione tra gli stati inerenti soddisfa il principio di massima
entropia. Ciò porta a una distribuzione caratterizzata da una temperatura configurazionale
legata alla compattivita' di Edwards nei mezzi granulari. Abbiamo verificato con successo le
previsioni teoriche di quest'approccio su un modello reticolare, che esibisce uno spazio delle
configurazioni complesso con strutture inerenti, e su un sistema di sfere dure con gravita'.
C.
Vortici nei superconduttori
Si e' recentemente scoperto che i fenomeni di non equilibrio giocano un ruolo essenziale nel
caratterizzare la fisica dei vortici nei superconduttori di alta temperatura critica. Noi abbiamo
introdotto un modello teorico per lo studio della dinamica fuori equilibrio dei vortici che, per
la prima volta, ha consentito di dare un quadro unitario dei questi fenomeni osservati tanto
nelle proprieta' magnetiche che di trasporto di questi sistemi. Di recente abbiamo mostrato
come in questo stesso quadro di dinamica fuori equilibrio, puramente "classica", si possano
spiegare fenomeni che precedentemente si era interpretato come forme di rilassamento
quantistico.
D.
La transizione sol-gel
Abbiamo studiato le proprietà dinamiche nei sistemi che gelificano, mediante un modello
semplice di meccanica statistica, basato sulla percolazione e sulla dinamica di bondfluctuation. Lo studio della transizione di gelazione forte con questo modello ha fornito una
stima per gli esponenti critici della viscosità e dell'elasticità alla soglia di transizione.
Un'analisi accurata dei risultati sperimentali, i risultati di altri recenti studi numerici e i nostri
risultati suggeriscono la possibilita' dell'esistenza di due diverse classi di universalità per le
proprietà viscoelastiche alla gelazione, e pongono il problema della determinazione di queste
classi o altrimenti di un crossover ad un unico vero comportamento critico. Introducendo nel
modello un tempo di vita medio finito per i legami nel processo di gelazione abbiamo studiato
le proprietà dinamiche corrispondenti alla formazione di un network transiente. In particolare
osserviamo che la viscosità non diverge alla soglia percolativi ma aumenta con regolarità
verso un eventuale valore di plateau. A concentrazioni piu' elevate ben al di sopra della soglia
percolativa le funzioni di rilassamento mostrano l'insorgere di comportamenti vetrosi con
l'effettiva divergenza della viscosita'. Questo comportamento è molto simile a quello
osservato nei sistemi colloidali e il nostro studio dei fenomeni di gelazione può fornire una
possibile interpretazione: poichè il network di gelazione non è permanente la divergenza della
viscosità è prodotta in questo caso dalla formazione di un network di stress, che si verifica
aumentando la concentrazione.
178
Programma 2002
A. La transizione vetrosa
Ci proponiamo di verificare se il comportamento dinamico complesso osservato nei modelli
descritti sopra è consistente con le previsioni teoriche della “mode-coupling theory'' per i
liquidi sottoraffreddati.
B. Materiali granulari
Ci proponiamo di verificare se il nostro approccio può essere esteso al caso non stazionario e
ad altri modelli, con e senza gravità, che riproducono il comportamento dinamico complesso
osservato nei mezzi granulari e nei sistemi vetrosi. Inoltre cercheremo di capire, nell'ambito di
questo nuovo approccio Meccanico Statistico dei sistemi non termici, importanti questioni
come la transizione di segregazione di taglia osservata nei mezzi granulari.
C.
Vortici nei superconduttori
Cercheremo di sviluppare una descrizione teorica della dinamica "vetrosa" dei vortici nei
superconduttori.
D.
Transizione sol-gel
Studieremo i fenomeni di gelazione mediante simulazioni MonteCarlo del nostro modello. Il
nostro scopo e' studiare diversi fenomeni gelazione tipici dei sistemi "soft-matter" e
individuare le caratteristiche comuni. Considereremo il caso di diversi meccanismi di
aggregazione (per esempio 'cluster-cluster aggregation') e studieremo il corrispondente
comportamento dinamico per comprendere il ruolo dei diversi tipi di network che si possono
formare.
Activity 2001
A.
Glass transition
We have studied a lattice model where disorder is not generated by ferromagnetic and a ntiferromagnetic
interactions randomly distributed (as in the frustrated lattice gas model already studied), but it is due to the
molecule asymmetric shape, and the interaction depend on the molecule relative orientation. During the system
evolution the particles can randomly rotate, and, consequently, their interaction randomly change. The particle
interaction is only an excluded volume interaction. We have studied a model where all the molecules have the
same shape, and a mixture composed by molecules with two different shapes. The results obtained (the
relaxation times, the diffision coefficient, the correlation functions, ...) have shown that the system presents a
glassy behavior.
We have moreover studied new methods to equilibrate supercooled liquids and we have applied these methods to
simple glassy systems, as monoatomic systems with a anti-crystalline potential, Lennard-Jones binary mixtures,
soft-spere binary mixtures.
B.
Granular Media
We have developed a statistical mechanic approach to the inherent states in glassy systems and granular
materials, following the original ideas developed by Edwards for granular materials. In particular we have
considered a tap dynamics in the space of inherent states, analogous to the dynamics used in experiments on
granular materials. We assume in the stationary regime that the distribution over the inherent states satisfies the
179
principle of maximum entropy. It follows that the distribution is characterized by a configurational entropy
connected to the Edwards' compactivity in granular materials. We have verified that this approach works in a
lattice model, which has a complex configurational space with inherent structures, and in a hard-sphere system
with gravity.
C.
Vortices in superconductors
It is recently found that non-equilibrium phenomena play an essential role in order to characterize the behavior
of vortices in high-critical temperature superconductors. We have introduced a theoretic model to study the nonequilibrium dynamics of vortices that, for the first time, has allowed to give a unifying picture of the
``memoria''and `àging'' phenomena observed in the magnetic and transport properties of these systems.
Recently we have shown that in this framework of a ``classic'' off-equilibrium dynamics, it is possible to explain
phenomena that were previously interpretated as kind of quantistic relaxation.
D.
Sol-gel transition
We have studied the dynamic features in gelling systems by means of a minimal statistical mechanics model,
based on percolation and bond-fluctuation dynamics. In the case of the strong gelation transition we have
obtained the values for the critical exponents of the viscosity and elasticity critical behaviour. An accurate
analysis of the experimental data together with the findings of recent numerical studies and our results suggest
the existence of two different universality classes or else of a crossover to a unique critical behaviour. By
introducing a finite bond lifetime in the model we have studied the dynamics corresponding to the formation of a
transient network. In particular the viscosity coefficient does not diverge at the percolation threshold, growing
smoothly towards an eventual plateau value. At higher values of the density well above the percolation threshold
the relaxation functions display typical glassy behaviours with the actual divergence of the viscosity. This
behaviour recalls the observations in colloidal systems and our study of gelling systems offers a possible
interpretation: as the gelation network is not permanent the viscosity divergence is actually produced by the
formation of a stress-bearing network at high density.
Program 2002
A. Glass transition
We want to verify if the complex dynamical behavior observed in the model above described is consistent with
the predictions of the mode-coupling theory for supercooled liquids.
B. Granular Materials
We want to verify if our approach can be extended to the non stationary case and to other models, with or
without gravity, which reproduce the complex dynamical behavior observed in granular materials anf glassy
systems. Moreover we will try to understand in the framework of this new Statistical Mechanics approach of non
termal systems, important questions as the size segregation transition observed in granular materials.
C. Vortices in superconductors
We will try to develop a theoretical description of vortices glassy dynamics in superconductors.
D. Sol-gel transition
We will investigate the gelling phenomenology by means of MonteCarlo simulations of our statistical
mechanical model. Our aim is to study different gelling phenomena typical of soft matter systems and
understand their common features.
We will then consider the case of different aggregation mechanisms (e.g. cluster-cluster aggregation) and study
the correspondent dynamic behaviour in order to investigate the effect of different network structures.
180
Pubblicazioni 2001
1. A. de Candia, A. Coniglio, Comment on ``Two time scales and violation of the fluctuation-dissipation
theorem in a finite-dimensional model for structural glasses'', Phys. Rev. Lett. 86, 4716 (2001)
2. A. de Candia, "Metastable states in the Blume-Emmery-Griffiths spin-glass model", J. Phys. A 34, L525
(2001)
3. A. de Candia, A. Coniglio, "Spin and density overlaps in the frustrated Ising lattice gas", Phys. Rev. E 65,
16132
4. X. Campi, H. Krivine, N. Sator, "Percolation line of self-bound clusters in supercritical fluids", Physica
A296, 24-30 (2001)
5. H.J. Jensen and M. Nicodemi, `Òff equilibrium properties of vortex creep in superconduct.'', Europhys. Lett.
54, 566
6. M. Nicodemi and H.J. Jensen, Reply to Comment on ``Creep of superconducting vortices in the
limit of vanishing temperature: A fingerprint of off-equilibrium dynamics'', Phys. Rev. Lett. 87,
259702 (2001)
7. M. Nicodemi and H.J. Jensen, ``Creep of superconducting vortices in the limit of vanishing temperature: A
fingerprint of off-equilibrium dynamics'', Phys. Rev. Lett. 86, 4378 (2001)
8. M. Nicodemi and H.J. Jensen, `Àging and memory phenomena in magnetic and transport properties of
vortex matter'', J. Phys. A 34, 8425 (2001)
9. A. Coniglio and M. Nicodemi, `À Statistical Mechanics Approach to the Inherent States of Granular
Media'', Physica A 296, 451 (2001)
10. S.T.Bramwell, K.Christensen, J.Y.Fortin, P.C.W.Holdsworth, H.J.Jensen, S.Lise, J.Lopez, M.Nicodemi,
J.F.Pinton, M.Sellitto, Reply to Comment on `Ùniversal Fluctuations in Correlated Systems'', Phys. Rev.
Lett. 87,188902 (2001)
11. M.Nicodemi,H.J.Jensen, "Off equilibrium magnetic properties in a model of repulsive particles for
vortices in superconductors", J.Phys.A 34,L11(2001)
12. F.Corberi, M.Nicodemi, M.Piccioni, A.Coniglio, ``Slow dynamics and aging in a constrained diffusion
model'', Phys. Rev. E 63, 031106 (2001)
13. A. Coniglio ``Percolation approach to phase transitions'' Nuclear Physics A 681 451c (2001)
14. A. Coniglio ``Percolation and critical points'' J. Phys.: Condens. Matter 13 9039 (2001)
15. X. Campi, H. Krivine, N. Sator, "Clustering and thermodynamics of finite size systems", Nucl. Phys. A681,
458c-465c (2001)
16. E.Del Gado, L.de Arcangelis, A.Coniglio, "Viscoelastic properties at the sol-gel
transition",
Macromolecular Symposia 1712, 79 (2001)
17. A. Coniglio, A. Fierro, M. Nicodemi, `À Statistical Mechanics Approach to the Inherent States of Glassy
Systems and Granular Media'', Nato Series on Moscow Conf. on Complex Systems (2001)
18. M. Nicodemi, ``Vortex matter out of equilibrium'',in "Scaling and disordered systems", Eds. M.Daoud,
F.Family, H.Herrmann, G.Stanley (World Scient. 2001)
19. L. de Arcangelis, E. Del Gado, A.Coniglio, "Complex viscoelastic behaviour at the sol-gel transition",
ibidem
20. A. de Candia, A. Fierro, A. Coniglio, "Dynamical non-linear susceptibility of the quenched and
annealed frustrated lattice gas models", ibidem
21.
A. Coniglio, A. Fierro, M. Nicodemi `Àpplications of the statistical mechanics of inherent states to
granular media'' Physica A 302 (1-4): 193-201 (2001)
181
DINAMICA LENTA E SISTEMI D'INTERESSE BIOLOGICO
Luca Peliti*; A. Ajdari (ESPCI, Paris), J.-B. Fournier (ESPCI, Paris),
F. Jülicher (Curie, Paris), A. Parmeggiani (Munich), J. Prost (Curie, Paris)
Attivita' 2001:
Teoria dei motori molecolari
Abbiamo mostrato che l'applicazione di un carico tangente ai motori molecolari influenza il
tempo di distacco secondo un pattern caratteristico dipendente dalla natura del motore stesso.
Questo permette di interpretare i dati raccolti sulla processività.
Elasticità d'area effettiva in membrane micromanipolate
Abbiamo calcolato l'elasticità d'area effettiva (misurata alla risoluzione ottica) di membrane
sottoposte a procedimenti di micromanipolazione, sulla base di un modello microscopico.
Questo lavoro permette di risolvere su basi chiare l'annoso problema della natura della
tensione superficiale nelle membrane.
SLOW DYNAMICS AND SYSTEMS OF BIOLOGICAL INTEREST
Theory of molecular motors
We have introduced a general framework to study the processivity of molecular motors moving along a polar
filament and discussed the average time spent attached to the filament as a function of a tangentially applied
load. Our study of specific models suggests that the attachment time of a motor decreases with increasing ATP
concentration and that double-headed motors such as kinesins lose their processivity under forcing conditions
while processive single-headed motors are less sensitive to tangential forcing.
Effective Area-Elasticity and Tension of Micro-manipulated Membranes
We have evaluated the effective Hamiltonian governing, at the optically resolved scale, the elastic properties of
micro-manipulated membranes. We have identified floppy, entropic-tense and stretched-tense regimes,
representing different behaviors of the effective area-elasticity of the membrane. The corresponding effective
tension depends on the microscopic parameters (total area, bending rigidity) and on the optically visible area,
which is controlled by the imposed external constraints. We have successfully compared our predictions with
recent data on micropipette experiments.
Detachment of molecular motors under tangential loading, A. Parmeggiani, F. Jülicher, L. Peliti, J. Prost,
Europhys. Lett., 56, 603 (2001).
Effective area-elasticity and tension of micro-manipulated membranes, J.-B. Fournier, A. Ajdari, and L. Peliti,
Phys. Rev. Lett. 86, 4970 (2001).
182
STORIA DELLA FISICA TEORICA
G. Acocella*, D. Capecchi*, P. Cerreta*, De Martino*, A. Drago, R. Fedele, P. Iacono*, A. La Sala*, G. Longo,
G. Mauriello*, R. Pisano*, F.M. Scarpa, E. Schettino, R. Vella*, A. Venezia*
Questo settore ha sviluppato le seguenti linee di ricerca:
Casi storici: Fisica teorica e istituzioni scientifiche in Italia. Il problema della cosmologia
nella astronomia della fisica classica. La meccanica di Leibniz; edizione critica di alcuni
scritti. Storia del principio dei lavori virtuali. La meccanica di L. Carnot. I primi lavori di
meccanica di Lagrange.
Il tensore nella meccanica di Cauchy. La nascita della termodinamica in Sadi Carnot.
Assiomatica di Truesdell della termodinamica.
Geometria non euclidea e relatività. La teoria dei gruppi nella relatività ristretta e nella
meccanica quantistica secondo Weyl. Casi storici riguardanti i fondamenti della Fisica (visti
come due opzioni,
sul tipo di infinito matematico e sul tipo di logica; le quali danno luogo a quattro modelli di
teoria scientifica): rapporti tra fisica teorica e matematica costruttiva; rapporti tra fisica teorica
e logica non classica. Nuova formulazione della termodinamica di S. Carnot. Riformulazione
della relatività ristretta con una matematica discreta o con geometrie non euclidee. Meccanica
quantistica e matematica costruttiva. Nuovo approccio alla logica non classica quantistica.
Rivalutazione secondo la matematica costruttiva del programma di Weyl di rifondazione di
tutta la fisica moderna. Relazione tra teorie fisiche, teorie sociali e filosofia. Studi
storiografici mediante le categorie interpretative delle due opzioni suddette: confronto di tutte
le storiografie della scienza e loro interpretazione secondo le due opzioni; classificazione di
tutte le categorie utilizzate finora.
Studi e attività didattiche e generali: didattica dell'analisi e del principio d'inerzia secondo il
metodo degli indivisibili di Cavalieri e della matematica elementare di Weyl; didattica della
meccanica di Leibniz. Teoria dei musei; museo interattivo ed itinerante di Fisica. Educazione
alla pace ed educazione scientifica. Teoria della soluzione dei conflitti. Modelli matematici e
fisici dei conflitti. Partecipazione al cons. scientifico del Centro Interuniv. Region. Bioetica.
Programma per il futuro:
Casi storici: edizione critica del libro inedito di Leibniz sulla meccanica; Lagrange e il
principio dei lavori virtuali. Volta e una nuova interpretazione della storia
dell'elettromagnetismo. Teoria della complessità in astronomia e in generale. Geometria,
trigonometria e relatività ristretta; meccanica di L. Carnot trasportata in relatività ristretta; i
lavori di H. Weyl in relatività ristretta. Teoria algebrica dei gruppi in meccanica quantistica.
Logica della meccanica quantistica. Equazioni Schroedinger-like. Casi storici riguardanti i
fondamenti della Fisica: la meccanica di L. Carnot ricostruita secondo le due opzioni;
ricostruzione della termodinamica di S. Carnot secondo le due opzioni; legame tra le due
teorie attraverso il principio dei lavori viruali. Le simmetrie continue secondo la matematica
costruttiva. Meccanica quantistica e matematica costruttiva. Logica paraconsistente e fisica
teorica. Teoria della complessità e matematica costruttiva. Logica quantistica riformulata
secondo la logica intuizionista. Teoria della complessità secondo le due opzioni. Studi
storiografici: storiografia di Lagrange. Storiografia della teoria della complessità;
Classificazione di tutte le categorie utilizzabili in storiografia. Studi e attività didattiche e
generali: teoria della didattica della fisica; proposta didattica della meccanica di Leibniz;
183
proposta didattica del testo di S. Carnot ricostruito secondo le due opzioni; teoria generale e
matematica dei conflitti; logica non classica e conflitti; teoria dei musei interattivi.
2001 Activities
Historical case-studies: theoretical physics in Italy; scientific instutitions in Italy. The problem of cosmology in
classical physics. Leibniz' mechanics, critical edition of some his works. Principle of virtual velocities. L.
Carnot's mechanics. First works by Lagrange's in mechanics. Tensor in Cauchy's mechanics. The birth of
thermodynamics in S. Carnot's work; Truesdell's axiomatics of thermodynamics. Non-Euclidean geometries and
special relativity. Group theory in both special relativity and quantum mechanics according to H. Weyl. Casestudies on the foundations of physics (examined by means of the two options, on both the two kinds of
mathematics and the two kinds of logics; they generate the four models of a scientific theory): relationship
between theoretical physics and constructive mathematics; relationship between theoretical physics and nonclassical logic. New formulation of S. Carnot's thermodynamics. New formulation of special relativity according
to construcive mathematics or non euclidean geometries. Quantum mechanics and constructive mathematics. A
new approach to quantum non-classical logic. Re-evaluation according to constructive mathematics of Weyl's
program for re-founding the whole modern physics. The relationships between physical theories and social
theories and philosophy. Historiographical studies by means of the interpretative categories given by the two
options: comparison of all historiographies on science and their interpretation according to the two options;
classification of all suggested categories. Studies and activities on didactis and of general nature: didactics of
both calculus and inertia principle according to both Cavalieri method of indivisibles and Weyl elementary
mathematics; didactics of Leibniz's dynamics. Physics museum theory; a physics museum of running and
interactive type. Peace education and scientific education. Theory of conflict resolution. Mathematical and
physical models of conflicts. Participation to the Scientific Council of Naples CIRB (bioetics).
Program
Case-studies: critical edition of the inedit Leibniz' book on mechanics. Lagrange and the principle of virtual
velocities. Volta and a new interpretation of electromagnetism. Complexity theory in astronomy and in general.
Geometry,trigonometry and special relativity. L. Carnot's mechanics translated in special realtivity. Weyl's work
on special relativity. Algebraic group theory in quantum mechanics. Non-classical logic in quantum mechanics.
History of Schroedinger-like equations.
Historical case-studies on foundations: L. Carnot's mechanics reconstructed according to two options.
Reconstruction of S. Carnot's book on thermodynamics according to the two options. Interpretation of Goedel
theorems. The constructive version of continuous symmetries; constructive mathematics and quantum
mechanics; para-consistent logic and the problòem-based model of a physical theory; complexity theory and
constructive mathematics; reformulation of special relativity according to both L. Carnot's theory of impact of
bodies and the two options. Quantum logic re-formulated according to intuitionistic logic. Theory od complexity
according to two options.
Historiographis studies: Lagrange's historiography. Historiography of complexity theory. Classification of all
categorie which can be used
Studies and activities on didactics and in general: theory of physics teaching. A didactical proposal on Leibniz'
mechanics. A didactical proposal on S. Carnot's text, recostructed according to the two options. General theory
and mathematical theory of conflict resolutions; non-classical logics and conflicts.
Pubblicazioni
1.
A. Drago: The several categories suggested for the "new historiography of science": an interpretative
analysis from a foundational viewpoint. Epistemologia, 24 (2001) 48-82.
2. A. Drago: Vasiliev's paraconsistent logic interpreted by means of the dual role played by the double
negation law, J. Applied Non-Classical Logic, 11 (2001) 281-294.
3. A. Drago, L. Boiano: La geometria di L. Carnot: Rinascita e potenziamento del metodo sintetico, Atti
della Fondazione Vasco Ronchi, 57 (2002) 97-122
4. A. Drago: Un comune concetto di scienza dal confronto delle specificità, Voci di strada, 13, n.2 (2001)
93-124
5. A. Drago, P. Iacono e C. Lopez: L'assiomatica storica della termodinamica di Truesdell e Baratha:
Esposizione sintetica ed analisi critica, Giornale di Fisica, 42 (2001) 221-234
6. A. Drago S.D. Manno e A. Mauriello: Una presentazione concettuale della meccanica di Lazare Carnot,
Giornale di Fisica, 42 (2001) 131-156
184
Libri:
1. D. Capecchi: La tensione secondo Cauchy, Hevelius, Benevento 2001.
2. E Schettino: Curatrice di Atti XX Congresso Nazionale di Storia della Fisica e della Astronomia, Ed.
Cuen Napoli 2001
Proceedings:
1. Drago: Il metodo ermeneutico suggerito dalla storiografia della scienza, in G. Cacciatore, P. Colonnello e D.
Jervolino (edd.): Ermeneutica, Fenomenologia e Storia, Liguori, Napoli, 2001, 459-479.
2. A. Drago: The birth of an alternative mechanics: Leibniz' principle of sufficient reason, in H. Poser et al.
(eds.): Leibniz Kongress. Nihil Sine Ratione, 2001, Berlin, vol. I, 322-330.
3. A. Drago: Which kind of mathematics for Quantum Mechanics? A survey, a new interpretation and a
program of reserach, in V. Fano, G. Tarozzi and M Stanzione (eds.): Prospettive della logica e della filosofia
della scienza, Rubettino, 2001, 161-180.
4. A. Drago e A. Venezia: A proposal for a new approach to Quantum Logic, in C. Mataix e A. Rivadulla
(eds.): Quantum Physics and Reality, Eidotieal Complutense, Madrid, 2002,in stampa
5. G. Acocella: I problemi della fisica dello spazio in alcuni matematici italiani alla fine dell'ottocento, in E.
Schettino (ed.): Atti del XX Congr. Naz. Storia della Fisica e Astr., Cuen, Napoli 2001, 3-20
6. D. Capecchi, Lo stato logico del principio dei lavori virtuali. Il contributo della scuola italiana del secolo
XVIII, XV Congresso AIMETA 2001, Taormina 2001.
7. D. Capecchi, Il concetto di tensione nella meccanica dei solidi del secolo XIX, XXI Congresso Naz. di Storia
della Fisica e dell'Astronomia, Cosenza, 2001.
8. D. Capecchi: Le Recherches sur la libration de la Lune di Lagrange, in E. Schettino (ed.): Atti del XX Congr.
Naz. Storia della Fisica e Astr., Cuen, Napoli 2001, 85-106.
9. P. De Martino: Meccanica discreta e relatività discreta, in E. Schettino (ed.): Atti del XX Congr. Naz. Storia
della Fisica e Astr., Cuen, Napoli 2001, 107-120
10. A. Drago: Sulle categorie utilizzate dagli storici della Fisica Classica, in E. Schettino (ed.): Atti del XX
Congr. Naz. Storia della Fisica e Astr., CUEN, Napoli 2001, 121-140.
11. A. Drago: Come comprendere storicamente il teorema di Goedel: 14 tesi interpretative, A. Laforgia et al.
(eds): Il ruolo della Matematica nella Società contemporanea, Rota, Barletta, 2001, 183-2001.
12. A. Drago: Nuova interpretazione della geometria di Lobacevskij, A. Laforgia et al. (eds): Il ruolo della
Matematica nella Società contemporanea, Rota, Barletta, 2001, 203-218 (con A. Pellegrino)
13. R. Pisano: Interpretazione della nota matematica delle Réflexions sur la puissance motrice du feu, in E.
Schettino (ed.): Atti del XX Congr. Naz. Storia della Fisica e Astr., Cuen, Napoli 2001, 205-230.
14. F.M. Scarpa: La relatività ristretta nell'opera di Hermann Weyl, in E. Schettino (ed.): Atti del XX Congr.
Naz. Storia della Fisica e Astr., Cuen, Napoli 2001, 329-346
15. E. Schettino: Franklinists in Naples in the Second half of the 18th Century, in E. Schettino (ed.): Atti XX
congresso Nazionale di Storia della Fisica e della Astronomia, Ed. Cuen Napoli 2001, pp. 347-357.
16.
E. Schettino, L'Italia e la Convenzione del metro, in Atti Convegno di Studi su Giovanni Giorgi nella
realtà del suo tempo, a cura dell'Istituto dell'Enciclopedia Italiana, Roma 22 marzo 2001 in stampa.
17.
A. Venezia: I diversi approcci alla logica quantistica: due classificazioni e loro interpretazione, in E.
Schettino (ed.): Atti del XX Congr. Naz. Storia della Fisica e Astr., Cuen, Napoli 2001, 423-450.
18.
A. Drago: Participation to the Scientific Committee of the Inter-University Center for Reasearch on
Bioethics of Naples
185
186
METODOLOGIE FISICHE
APPLICATIVE
(Responsabile della sezione: Prof. Vittorio Giorgio Vaccaro)
187
188
ACUSTICA
TRASFORMAZIONI TEMPO VARIANTI DI SEGNALI E MODELLI
MULTIWAVELET DEL SEGNALE
S.Cavaliere, G. Evangelista
Attività 2001
Sviluppando precedenti ricerche abbiamo lavorato alla realizzazione di algoritmi efficienti per
la modifica del contenuto in frequenza del segnale. Punto di partenza è stata la trasformata di
Laguerre discreta, molto efficace in gran parte dei casi ai fini di questa modifica.
L’uso, tuttavia, di questa trasformata è limitato dalla sua complessità computazionale, ma
soprattutto dal fatto che la struttura di calcolo non-causale che essa implica impedisce l’uso in
applicazioni di tempo reale. Abbiamo quindi sviluppato un algoritmo approssimato, la
trasformata di Laguerre a tempo breve (Short Time Laguerre Transform) definita come
versione della stessa mediante applicazione di una finestra scorrevole nel tempo. L’algoritmo
si basa quindi su di un metodo di overlap-add (sovrapposizione e somma) delle componenti
della trasformata di Laguerre. Questo ha permesso la sintesi mediante overlap-add di
segmenti di ingresso di lunghezza disomogenea, adatta a realizzazioni di tempo reale.
Inoltre la stessa trasformata è stata generalizzata ad una versione tempo-variante, consentendo
modifiche nel tempo del contenuto in frequenza utili per ottenere effetti dinamici: ad esempio
piccole fluttuazioni dei parametri di controllo intorno allo zero producono o eliminano il
vibrato da sorgenti sonore. La sovrapposizione di trasformate, controllate da diverse sequenze
di parametri, produce effetti che generalizzano il “chorus” e contribuiscono alla
spazializzazione del suono.
La trasformata tempo-variante è basata su un set biortogonale il cui effetto è invertibile.
Questa tecnica tempo-variante è stata poi estesa alla versione in tempo reale dell’algoritmo,
che fa uso di un segmento di ingresso di lunghezza variabile ed un segmento di uscita di
lunghezza costante. La finestra usata è una versione, deformata dinamicamente in frequenza ,
di una finestra prototipo.
Scopo di un secondo tema di ricerca è quello di ottenere rappresentazioni opportune della
dinamica timbrica utili per la codifica audio di nuova generazione (“structured audio”), ma
anche per la sintesi di suoni che includa aspetti espressivi. Abbiamo realizzato un nuovo
modello della dinamica basata sulla definizione, da noi introdotta, di una speciale trasformata
wavelet (Harmonic-Band Wavelet Transform HBWT). Punto di partenza è l’evidenza
sperimentale che i segnali musicali contengono sia componenti armoniche che componenti
stocastiche. La parte deterministica determina l’altezza del suono ed il suo timbro globale. La
parte stocastica contiene tutte le microfluttuazioni che rendono il suono interessante dal punto
di vista percettivo, aggiungono naturalezza al suono ed eventualmente incorporano aspetti
espressivi.
I segnali musicali possono quindi essere rappresentati come funzioni pseudoperiodiche
piuttosto che periodiche in senso stretto. Nel dominio della frequenza, quindi, hanno energia
non nulla nelle bande laterali delle parziali. Queste bande catturano gran parte della dinamica
timbrica del suono.
189
Il metodo che abbiamo messo a punto consente di riprodurre questo “rumore naturale” che
viene ottenuto modellando lo spettro di potenza della parte stocastica dei suoni mediante
sovrapposizione di componenti 1/f modulate.
Nello schema di sintesi mediante Harmonic-Band Wavelet Transform questo risultato viene
realizzato modellando i coefficienti delle bande laterali come rumore bianco opportunamente
scalato.
Inoltre per riprodurre la piccola correlazione che si rivela nei coefficienti di analisi HBWT il
modello è stato rifinito introducendo nei coefficienti di risintesi un filtraggio preventivo, la
cui identificazione viene fatta mediante tecniche LPC. Questa rifinitura ha un effetto decisivo
nella qualità percettiva della riproduzione.
Il principale risultato ottenuto in questa seconda fase del progetto è stata la definizione di un
modello per i coefficienti di scala delle bande armoniche, cioè i coefficienti di analisi HBWT
corrispondenti alla parte deterministica dei suoni.
Questo modello completa il metodo realizzato per la compressione e la risintesi dei suoni
musicali. Ottimi risultati sperimentali sono stati ottenuti con i suoni di vari strumenti.
In una ricerca precedente abbiamo mostrato che la costruzione di wavelet con larghezza di
banda arbitraria può essere ottenuta mediante iterazione del “warping” alla Laguerre. La
struttura di calcolo consiste in un banco di filtri iterato a cui viene applicato un operatore di
warping diverso ad ogni stadio dell’iterazione sia ai filtri che al corrispondente operatore di
ricampionamento, ovvero alternando il blocco trasformata di Laguerre con il filtro a due
canali a perfetta ricostruzione.
La risoluzione in frequenza può essere assegnata usando un diverso parametro per ogni livello
di scala.
A causa della complessità analitica della mappa iterata, risultavano aperti alcuni problemi
sulla “regolarità” delle “warped wavelets” iterate. Allo scopo di studiare il comportamento
asintotico delle mappe iterate abbiamo stabilito un risultato riguardante le autofunzioni
dell’operatore di composizione relativo alla mappa parametrica elementare.
Per studiare ortogonalità e completezza del set risultante abbiamo costruito uno schema di
approssimazione in multirisoluzione ed esteso alcuni teoremi alla generalizzazione da noi
introdotta. Inoltre abbiamo dimostrato che l’allocazione arbitraria delle bande per un
intervallo di frequenze di interesse (ad esempio quello acustico) può essere sempre realizzata
mediante questo schema di multirisoluzione e conduce a wavelet tempo continue ben definite.
Questi risultati avvalorano l’uso di “warped wavelets” per l’analisi dei segnali audio in banda
adattate a criteri psicoacustici ovvero alle bande dei fenomeni fisici sottostanti.
Programma previsto per il 2002
La ricerca proseguirà nella direzione di sviluppare applicazioni delle tecniche e degli
strumenti formali ed algoritmici messi a punto, in particolare, al problema del restauro di
materiale audio documentale ed all’analisi, “browsing” e segmentazione di musica ed audio.
Per quanto riguarda il restauro di documenti audio affronteremo lo studio di tecniche basate
su rappresentazioni tempo-frequenza di segnali acustici modellandoli con la trasformata
wavelet ed i ”frame” di Gabor.
In particolare faremo uso di metodi sincroni con il periodo per recuperare la componente
pseudoperiodica e di tecniche impulsive per la componente aperiodica. Queste tecniche poi
saranno rese adattive attraverso l’analisi della scena uditiva. Inoltre gli aspetti percettivi
avranno un ruolo fondamentale per rendere più efficienti gli algoritmi di restauro.
190
Per l’analisi, il “browsing” e la segmentazione dell’audio svilupperemo nuove procedure per
la navigazione in ambienti acustici. Questo modello innovativo di navigazione audio
consentirà anche l’esplorazione automatica dell’informazione audio e musicale in rete con
l’uso di motori di ricerca così potenziati. Infine ciò consentirà l’interpretazione e la
classificazione acustica ai vari livelli di complessità caratteristici dei messaggi audio e
musicali.
Pubblicazioni
G. Evangelista, "Dyadic Warped Wavelets," Advances in Imaging and Electron Physics, pp. 73-171, vol. 117,
Academic Press, April 2001.
G. Evangelista, S. Cavaliere, "Audio Effects Based on Biorthogonal Time-Varying Frequency Warping,"
EURASIP Journal on Applied Signal Processing, pp. 27-35, vol. 2001, no. 1, Hindawi, March 2001.
P. Polotti, G. Evangelista, "Analysis and Synthesis of Pseudo-Periodic 1/f-like Noise by means of Wavelets with
Applications to Digital Audio," EURASIP Journal on Applied Signal Processing, pp. 1-14, vol. 2001, no. 1,
Hindawi, March 2001.
G. Evangelista, "Flexible Wavelets for Music Signal Processing," Journal of New Music Research, vol. 30, no.1,
Swets & Zeitlinger, 2001.
P. Polotti, G. Evangelista, "Fractal Additive Synthesis by means of Harmonic-Band Wavelets," Computer Music
Journal, pp. 22-37, vol. 25, no. 3, MIT Press, Fall 2001.
Conferenze Internazionali
P. Polotti, G. Evangelista, "Multiresolution Sinusoidal / Stochastic Model for Voiced Sounds," Proc. of DAFx
2001, Limerick, Ireland, pp. 120-124, Dec. 2001.
H. Viste, G. Evangelista, "Sound Source Separation: Preprocessing for Hearing Aids and Structured Audio
Coding," Proc. of DAFx 2001, Limerick, Ireland, pp. 67-70, Dec. 2001.
G. Evangelista, S. Cavaliere, "Modifying the frequency content of speech signals: a new approach," Proc. 17th
ICA, International Congress on Acoustics, Book of Abstracts p.338 e Proceedings su CDROM, Roma, Italy ,
Sept. 2001
TIME VARIANT SIGNAL TRANSFORMATIONS
AND MULTIWAVELET SIGNAL MODELS
S.Cavaliere, G. Evangelista
2001 Activity
Developing our previous research, we investigated on efficient algorithms for frequency warping. Our starting
point was the already developed Laguerre transform, very effective in many cases to the purpose of altering the
frequency content of signals in a controlled way. However, the applications of this transform are limited by its
numerical complexity. Furthermore, real-time computation is impaired by the non-causal processing structure.
We developed an efficient approximate algorithm for frequency warping. We defined the Short-Time Laguerre
Transform (STLT) as a sliding-window version of the Laguerre transform. Our algorithm is based on an
overlap-add method of the STLT components. A class of windows is simply dilated or shrunk by the Laguerre
191
transform. This allows us to perform overlap-add with different input and frame lengths, suitable for real-time
computation.
We extended the Laguerre transform to variable parameter. This allows for time-varying frequency warping,
useful for dynamic effects. Small amplitude fluctuations of the parameters about 0 produce or eliminate vibrato
from sound sources. Superposition of transforms controlled by distinct parameter sequences produces effects
that generalize flanging and chorusing. Larger fluctuations are accompanied by time-varying dispersion. The
time-varying transform is based on a biorthogonal set whose effect is reversible. We extended our real-time
algorithm to time-varying frequency warping. This is achieved by means of a variable input frame length and a
constant output frame length, in which the input window is a dynamically unwarped version of a unique
prototype window.
The aim of a second research theme is to obtain well-suited representations of sound timbre dynamic useful for
structured audio and for natural sound synthesis, e.g., with control of the expression. In a first stage we
introduced a new model of the dynamics based on our definition of the Harmonic-Band Wavelet Transform
(HBWT). The starting point was the experimental evidence that voiced musical signals contain both
deterministic and stochastic components. The deterministic part provides the pitch and the global timbre of
musical signals. The stochastic part contains the "life of sound", that is all the micro-fluctuations that make a
synthetic sound interesting from a perceptual point of view and introduce a certain degree of "naturalness".
Musical signals are represented as pseudo-periodic functions as opposed to strictly periodic functions.
Therefore, in the frequency domain, they show non-zero energy in the sidebands of the partials. These sidebands
capture most of the dynamics of the timbre of voiced sound. We devised a method to reproduce this "natural
noise" in sounds. The idea was to model the power spectrum of the stochastic part of these sounds by means of a
superposition of modulated 1/f components. In the HBWT scheme this amounts to model sideband coefficients as
properly scaled white noise. In order to be able to reproduce the loose correlation detectable in the HBWT
analysis coefficients, we refined the model by introducing a pre-filtering level in the re-synthesis coefficients,
whose identification procedure is based on LPC techniques. This has had a decisive effect on the perceptual
quality of reproduction.
The main result obtained in this second phase of project is the definition of a model for the harmonic-band scale
coefficients, i.e., for the HBWT analysis coefficients corresponding to the deterministic part of voiced sounds.
This refinement completes our method for compression and re-synthesis of voiced sounds. Very good
experimental results were obtained with several musical instruments.
In previous investigations we showed that the construction of wavelets with arbitrary bandwidths can be
achieved by means of iterated Laguerre warping. The computational structure is an iterated frequency-warped
filter bank in which both the filters and the resampling operators are equivalently warped. This is obtained by
alternating a Laguerre transform block with the two-channel perfect reconstruction filter bank. Frequency
resolution can be assigned by selecting one parameter per scale level. Due to the analytic complexity of the
iterated map, several problems concerning the construction of well-behaved iterated warped wavelets remained
unsolved or at conjecture level. In order to study the asymptotic behavior of the iterated maps we established a
result on the eigenfunction of the composition operator formed by the elementary parametric map. To study the
orthogonality, completeness and regularity of the iterated warped wavelets we constructed a warped
multiresolution approximation scheme and extended several theorems to our general case. Furthermore, we
showed that arbitrary band allocation for a frequency range of interest, e.g., the acoustic range, can always be
embedded in a warped multiresolution scheme leading to well-defined continuous-time wavelets. These results
support the use of frequency warped wavelets for the analysis of audio signals in perceptually adapted bands or
in characteristic bands of the physical phenomena involved.
Program expected for 2002
Our research plan is to consider the application of the tools and techniques developed in our previous research
to the problems of restoration of audio documents and the analysis, browsing and segmentation of music and
audio.
For the audio documents restoration project we propose the study of techniques based on time-frequency
representations of acoustic signals modeled by wavelet transforms and Gabor frames. In particular, we envision
the use of pitch-synchronous methods for recovering pseudo-periodic sources and the use of impulsive
techniques for recovering aperiodic sources. These techniques will be made adaptive by means of automated
auditory scene analysis. Furthermore, the perceptual aspects will be taken in strong consideration for the
purpose of making the restoration algorithms more efficient.
For the analysis, browsing and segmentation project we will be developing novel procedures for browsing in
acoustical ambients, signals and messages. This novel browsing model, moreover will allow automatic
192
exploration in the large mass of sound and musical information by means of the use of powerful search engines.
These will also allow the interpretation and classification of audio information at different complexity levels,
which are proper to audio and music messages.
ELABORAZIONE NUMERICA DEI SEGNALI ACUSTICI.
APPLICAZIONE IN CAMPO PROTESICO
I. Ortosecco, D. Russo*, C. Saulino*
Attività 2001
Sono stati eseguiti i tests per la valutazione degli apparati protesici in collaborazione con il
Dipartimento di Neuroscienze e di Scienze del Comportamento della Facoltà di Medicina.
Con l’apparato per l’acquisizione e l’elaborazione dei segnali provenienti da protesi acustiche
messo a punto presso il Laboratorio di Fisica Medica è stata valutata la resa protesica di
protesi analogiche e digitali indipendentemente dall’orecchio elettronico.
La valutazioni sono state eseguite nell’ ambiente del laboratorio e in presenza di rumore.
Sono stati estesi gli algoritmi utilizzati per il software di valutazione della resa protesica
anche agli stimoli vocali e valutato il carattere parallelo degli algoritmi precedentemente
selezionati e codificati . L’analisi ha incluso ulteriori parametri collegati alla valutazione
della resa di dispositivi protesici digitali .
Le elaborazioni successive fatte sul segnale sono state realizzate in ambiente matlab mediante
filtraggi bidimensionali dell’output prodotto dalla TDFT.
Il carattere parallelo della metodica, ha consentito la stima qualitativa e quantitativa dei
parametri standard delle protesi definiti dalla ANSI S3.22 ’87,in maniera più compatta e in
tempi notevolmente piu’ brevi di quelli delle procedure fino ad oggi utilizzate nel laboratorio.
Si prevede di portare l’attenzione sullo studio di algoritmi di elaborazione di segnali acustici
per il riconoscimento di strutture fisiche ed interfacce di separazione tra mezzi a diversa
impedenza acustica .
Attualmente l’applicazione di metodologie di classificazione altamente efficienti basate su
reti neurali si sta rivelando uno strumento interessante che e’ in espansione in numerosi
campi di ricerca. Tra le motivazioni di tale diffusione c’e’ senza dubbio la possibilita’ di
ottenere delle ottime prestazioni nelle classificazioni utilizzando anche un numero elevato di
parametri descrittori. Si intende qui, dopo un esame dei principali algoritmi noti , di mettere a
punto un software basato su matlab per la sperimentazione di tale metodologie su segnali
costituenti la risposta acustica di interfacce solido/ liquido, in grado di fornire in uscita il
riconoscimento del tipo di interfaccia con
numero di parametri descrittori fissati
opportunamente.
Activity 2001
Tests on sensory aids continue in collaboration with the Department of Neurosciences and Human Behavior in
the Faculty of Medicine where the experimental apparatus for acquisition and processing of hearing aid
signals has been set up.
With digital-electro-acoustical experimental apparatus we can evaluate the performances of analog and
digital sensory aids without electronic ear also in noisy environment.
We extended the performances evaluation to vocal stimuli. The processing on the signal has been realized with
matlab software by image filtering of output signal of TDFT module .
This new methodic based on image processing in time frequency domain of acoustical signals can estimate the
standard parameters in accord to ANSI S.3.22 .
193
We planned to examine algorithms for acoustical signal processing related to identification of physical
structures and interfaces between media with different acoustical impedance.
We will use the neural network approach for the efficient classification with a large number of descriptor
parameters.
First we examine the algorithms trying the implementation in Matlab environment .We will start with a first
experimentation on signals by liquid/solid interfaces with the final objective of recognition of the interfaces
with fixed parameters number . The efficient calculation will be next step.
Comunicazioni a Convegno
F. Giordano, I. Ortosecco, G. Capasso, R. Giordano Extensions and further experimentations of an electro
acoustic system for the monitoring of illegal fishing 17th ICA 2001 Roma settembre 2001
I. Ortosecco, C. Saulino, E. Marciano, G. Auletta - Parallel Evaluation of Hearing Aids Performances International Conference 17th ICA 2001 Roma settembre 2001
ARCHEOMETRIA
G.Paternoster, R.Rinzivillo, C.Albore-Livadie* A.C.Felici*, M.Piacentini*, S. Sciuti*, M.Venditelli*
STUDIO, MEDIANTE FLUORESCENZA X, DELLA METALLURGIA DEL
BRONZO NELL'ITALIA MERIDIONALE
Attività 2001
Lo studio della metallurgia è stato condotto con due diversi apparati per Fluorescenza X; un
apparato portatile, usato per indagini in situ ed un sistema per analisi mediante XRF in
riflessione totale, fisso, utilizzato nell'analisi di bronzi antichi. E' stata completata l'analisi
elementare di asce Campane e di un pugnale, probabilmente coevo. Le asce, come riportato
nel lavoro presentato a Taormina, sembrano essere state realizzate tutte con materia prima
della stessa origine, mentre la lega si presenta in almeno quattro diverse composizioni. In ogni
caso vi è un nucleo di 13 asce che possiamo affermare essere state realizzate dalla stessa
"mano", mentre le altre, probabilmente coeve, sono opera di diversi artigiani. Per quanto
riguarda il pugnale i risultati dell'analisi ci fanno pensare ad un oggetto della stessa origine e
lavorazione delle asce, come verrà mostrato in un articolo in preparazione. L'analisi della
composizione dei bronzi, ed in particolare delle asce, è completata con un'indagine tipologica,
basata sulla forma. Per tale lavoro ci siamo procurati i disegni di alcune asce bronzee di varie
epoche e provenienza, oltre 100 oggetti di cui stiamo realizzando un data base con i dati
geometrici di forma. Mediante analisi statistica con reti neurali, stiamo determinando i fattori
caratterizzanti i vari gruppi il che ci permetterà di definire meglio la cronologia e di
determinare l'appartenenza ai gruppi degli oggetti privi di contesto noto. E' in corso di
svolgimento un lavoro di tesi in collaborazione con il gruppo di informatica dell'Università di
Salerno.
194
REALIZZAZIONE DI UN APPARATO PORTATILE PER INDAGINI NONDISTRUTTIVE SULLE PITTURE MURALI ROMANE
Nel corso del 2001, sulla base di alcuni incoraggianti risultati ottenuti dal gruppo romano di
indagini non distruttive, abbiamo presentato all'INFN, ed ottenuto i relativi finanziamenti, una
proposta di esperimento per realizzare un apparato portatile per XRF, che permettesse di
approfondire lo studio dei dipinti murali di epoca romana. Infatti dai primi studi si ha
l'evidenza dell'esistenza di diverse tecniche pittoriche, dovute, probabilmente, alla diversa
provenienza degli artisti nell'ambito del bacino mediterraneo. Questo ci ha indotto ad
approfondire la ricerca sull'uso delle varie tecniche e, possibilmente, a chiarirne la
provenienza. A questo scopo ci siamo dotati di un apparato portatile per XRF, caratterizzato
da una grande versatilità e compattezza, integrato con un apparato per riflettometria NIR e
UV. Sono stati condotti vari test in sede su campioni di affreschi e pigmenti provenienti da
Pompei. I risultati saranno oggetto di pubblicazione.
Programma per il 2002
Nel corso del 2002 dovrebbe concludersi il lavoro sulla metallurgia nell'Italia Meridionale. In
particolare completeremo l'analisi statistica dei dati con la caratterizzazione delle asce di tutti
gli orizzonti. Saranno inoltre analizzati i reperti bronzei ritrovati recentemente a Nola. Per
quanto riguarda lo studio di dipinti murali, completeremo la messa a punto dell'apparato
portatile, con l'integrazione della parte realizzata dalla collaborazione romana, e condurremo
analisi in situ a Pompei e nel Lazio. Sarà poi studiata la possibilità di ottenere un microfascio
X mediante lenti a capillari. Si pensa di avviare altre collaborazioni su questo tema, non
essendo stato ancora affrontato il problema per gli apparati mobili.
FISICA AMBIENTALE
SVILUPPO DI METODICHE FISICHE PER LA CARATTERIZZAZIONE
DI VARIABILI AMBIENTALI
C. Cosmi*, M. D’Emilio*, M. Lanfredi*, V. Lapenna*, M. Macchiato, M. Ragosta*,
T. Simoniello*, L. Telesca*
Attività 2001
L’attività di ricerca del gruppo verte sulla messa a punto di metodologie sperimentali e di
analisi dati per la caratterizzazione dinamica di fenomeni ambientali e per la stima e la
mitigazione dell’impatto delle attività antropiche. In tale ambito, sono di particolare
importanza lo sviluppo di metodiche di monitoraggio integrato (tecniche elettromagnetiche,
biofisiche, chimico-fisiche etc.), lo studio delle scale spazio-temporali dei fenomeni
ambientali e l’elaborazione di strategie di risanamento ambientale basate sull’allocazione
ottimale delle risorse. Gli strumenti attraverso cui i suddetti obiettivi vengono realizzati sono
sostanzialmente i seguenti:
Sviluppo di metodiche di monitoraggio integrato per lo studio di inquinanti atmosferici e delle
loro deposizioni al suolo.
Analisi di immagini da satellite
Analisi statistica di dati osservati (segnali geoelettromagnetici, serie di concentrazioni di
inquinanti in atmosfera, etc.)
Metodiche avanzate per la pianificazione energetico-ambientale (ALEP).
195
In particolare, per quanto riguarda l’attività svolta nel 2001, questa può essere schematizzata
nei seguenti punti:
Caratterizzazione dei profili delle sorgenti di metalli pesanti in atmosfera
Sono state applicate le metodologie di analisi statistica multivariata per investigare la struttura
di correlazione interna fra concentrazioni di metalli pesanti e parametri meteoclimatici al fine
di migliorare la definizione dei profili delle sorgenti di emissione. I risultati ottenuti, al di là di
una discussione dettagliata, mettono in evidenza lo stretto legame fra concentrazioni di
inquinanti, direzione prevalente del vento, condizioni meteoclimatiche con calma di vento ed
assenza di precipitazioni (effetti di abbattimento) e specifiche sorgenti. Ciò ha consentito, per
alcuni metalli (Piombo, Nichel), di disagreggare differenti frazioni su profili diversi. Allo
scopo di approfondire lo studio delle relazioni fra sorgenti, condizioni meteorologiche locali e
contenuto di metalli nel particolato, nel corso dell’anno è stata realizzata una campagna di
misura di concentrazioni di particolato atmosferico PM10 ed è stata avviata quella per il
PM2.5.
Realizzazione di un caso test relativo all'area industriale di S. Nicola di Melfi per il
confronto fra dati misurati in situ, dati da satellite e modelli di trasporto.
Nell'area di Melfi, intorno agli insediamenti industriali della Fiat-Sata, sono state realizzate
dal 1996 al 2000 delle campagne di misura per la valutazione della frazione biodisponibile di
metalli pesanti in suolo superficiale. Oltre all'analisi dei dati raccolti, che ha evidenziato il
diverso comportamento spazio-temporale dei diversi metalli, è stato realizzato un confronto,
attraverso un Sistema Geografico Informativo, di tali pattern al suolo con altri strati
informativi. In particolare sono stati confrontati con i risultati di un modello di trasporto e con
i dati di degrado della vegetazione ottenuti da mappe di NDVI realizzate a partire da dati da
satellite NOAA-AVHRR. I risultati, seppur preliminari, hanno evidenziato la possibilità di
utilizzare congiuntamente sia dati acquisiti su diversa scala spaziale e temporale che dati
provenienti da modelli per la valutazione dell'impatto di inquinanti particolati aerosispersi.
Applicazione di tecniche di subsurface sensing per la valutazione del grado di
contaminazione dei suoli da metalli pesanti.
Recentemente è aumentato l’interesse verso l’utilizzo di tecniche magnetiche per lo studio
dell’inquinamento del suolo, si è infatti visto che le misure di suscettività magnetica possono
essere utilizzate per individuare la presenza di minerali ferromagnetici risultanti da attività
antropiche. Ciò è possibile in quanto sia le polveri provenienti da emissioni industriali sia
quelle derivanti dalla combustione di combustibili fossili contengono magnetite che è la
principale responsabile dell’aumento di suscettività magnetica. Le misure in campo vengono
effettuate attraverso un sensore che misurando la suscettività magnetica dello strato
superficiale del suolo individua le disuniformità di questo parametro fisico. Le misure sui
nodi un grigliato in modo da ottenere come risultato finale delle mappe georefernziate. In
questo contesto sono state realizzate alcune campagne di misura in Val d'Agri abbinando
misure di parametri magnetici e misure di concentrazione di metalli pesanti al suolo.
196
Studio delle dinamiche dei fenomeni di inquinamento dalla scala globale alla scala locale
con immagini da satellite.
Uno dei problemi rilevanti nel monitoraggio dei fenomeni di inquinamento a varie scale
spazio-temporali riguarda l’uso combinato di sensori che hanno differenti risoluzioni spaziali
e spettrali.
Nell’ultimo anno abbiamo confrontato il degrado di informazione che si ottiene nel passaggio
da una risoluzione iperspettrale quale quella del sensore MIVIS (102 bande tra VIS e TIR con
risoluzione circa 1m) montato su aereo (costose osservazioni una tantum) e quella di un
sensore a numero minore di bande (4 bande con risoluzione di 4m) montato pero’ su di un
satellite (IKONOS) che garantisce un numero ampio e continuo di immagini.
Abbiamo anche condotto uno studio esplorativo per valutare il potenziale di tecniche
multirisoluzione per la caratterizzazione spazio-temporale della variabilita’ della copertura
vegetativa attraverso l’analisi di dati da satellite NOAA-AVHRR (passaggi giornalieri ad
1Km di risoluzione).
Analisi statistica di serie storiche di segnali geoelettrici
E’ stata condotta un’analisi per evidenziare presenza di leggi di invarianza di scala in serie
storiche di segnali geoelettrici. I risultati ottenuti rivelano la natura correlata di tali segnali, il
cui spettro di potenza ha un andamento di tipo power-law. E’ stata, poi, evidenziata la stretta
correlazione tra la variazione temporale di parametri che descrivono le proprietà di scala di
segnali geoelettrici e sequenze sismiche.
Sviluppo di metodologie integrate per la pianificazione energetico-ambientale.
Le attività relative a tale tematica hanno riguardato lo sviluppo di metodologie avanzate per la
pianificazione energetico-ambientale a scala locale, finalizzate all’ottimizzazione delle risorse
con riferimento a flussi congiunti di energia e materiale. In particolare è stato realizzato un
GIS tematico della Val d’Agri per la visualizzazione della distribuzione territoriale di
consumi ed emissioni di inquinanti in atmosfera, ed è stato messo a punto un modello a scala
locale in cui è stato utilizzato l’R-MARKAL per rappresentare sistemi a due regioni
interconnessi da flussi di energia e di materiale, non costituiti da regioni amministrativamente
autonome. Nei casi campione prescelti (comprensorio urbano di Potenza e Val d’Agri) sono
stati esaminati in dettaglio i processi di produzione di energia elettrica e termica e gli usi
energetici del settore Civile, per la valutazione multiobiettivo della fattibilità di interventi di
rinnovamento tecnologico e dell’uso di fonti rinnovabili (idroelettrico, fotovoltaico, solare
termico, biomassa).
Analisi delle concentrazioni di metalli pesanti in particolato di diverse dimensioni in funzione
delle diverse condizioni meteorologiche locali per la caratterizzazione dell’impatto delle
diverse sorgenti.
Integrazione di tecniche convenzionali chimico-fisiche per la misura di contaminanti al suolo
e tecniche geoelettromagnetiche.
Sviluppo di metodologie basate su dati satellitari per la caratterizzazione delle scale spaziotemporali dei processi di desertificazione. Si prevede l’analisi di immagini da satellite a
risoluzione differente e lo studio di indici di persistenza temporale e spaziale utili per seguire
fenomeni di desertificazione.
Utilizzo di tecniche multirisoluzione per caratterizzare l’influenza delle condizioni ambientali,
quali la pioggia, sulla variabilità del campo elettrico al suolo.
Sviluppo di modelli “comprehensive” per la definizione di strategie alla scala locale per
l’abbattimento delle emissioni atmosferiche inquinanti e/o forzanti verso effetto serra.
Sviluppo di un caso pilota per l’applicazione di metodiche di Life Cycle Analysis
197
2001 Activity
The research activity of our group is focused on the setting up of experimental and data analysis methodologies
for the dynamical characterisation of the territory and for the environmental impact assessment and mitigation
of the anthropogenic activities. In this framework, the following topics have a particular importance: the
development of integrated monitoring techniques (electromagnetic, biophysical, chemical-physical, etc.), the
study of the spatio-temporal scales of environmental phenomena, and the elaboration of environmental recovery
strategies based on the best market allocation of resources. In order to meet these subjects, some issues are
developed:
Development of integrated monitoring techniques for the study of atmospheric pollutants and soil depositions
Satellite imagery analysis
Statistical analysis of observational data (electromagnetic signals, time series of air pollution concentration, etc.)
Advanced local energy environmental planning methodologies (ALEP)
Characterisation of heavy metal source profiles in atmosphere
We have applied multivariate statistical method to investigate the internal correlation structure of heavy metal
concentrations and meteoclimatic parameters for a better definition of source profiles. Obtained results, beyond
a detailed argument, put in evidence the high link between pollutant concentrations, prevailing direction of the
wind, meteoclimatic conditions with wind calm and absence of rainfall (abatement effects) and specific sources.
This kind of data analysis allowed us to separate different fractions of some metals (Lead, Nickel), on different
profiles. In order to improve the study of the relations between sources, local meteorological conditions and
heavy metal content in particulate, during this year we have carried out a field survey to measure concentrations
of atmospheric particulate PM10 and we have started to measure PM2.5.
Development of a test case for the comparison between in situ data, satellite data and transport models in the
industrial area of S. Nicola di Melfi.
We have carried out field survey to evaluate the bioavailable fraction of heavy metals in superficial soil from
1996 to 2000 in S. Nicola di Melfi, all around the industrial settlement of FIAT SATA. Beyond to the analysis of
the collected data, that has put in evidence the different space-time behaviour of the metals, we have compared,
through a Geographic Informative System, this ground pattern with other informative layers. In particular we
have compared field data with the output of a transport model and with the degradation data coming from NDVI
maps obtained from NOAA-AVHRR satellite data. Preliminary results put in evidence the possibility to use
jointly data collected on different space and temporal scale and data coming from models for the evaluation of
the impact of atmospheric particulate pollutants.
Application of subsurface sensing techniques for the evaluation of the heavy metals soil contamination.
During the last years the interest in the use of magnetic techniques to study soil pollution is increased, in fact
magnetic susceptibility measurements seems to be useful to characterise the presence of ferromagnetic minerals
coming from anthropic activities.
This is possible because of particulate coming from industrial emissions and from fossil fuel combustion
contains magnetite that is the main responsible of the increase of magnetic susceptibility. The field measures
are carried out through a sensor that measures the magnetic susceptibility of the superficial layer of the soil and
so characterises the variability of this physical parameter. Measures are carried out along a regular grid and
the final output is a georeferenced map. In this context we have carried out some field surveys combining
measures of magnetic parameters and of heavy metal concentrations in soil in Agri valley.
Study of the dynamics of pollution phenomena from the global to the local scale with satellite imagery
One of the main issues of the monitoring of pollution phenomena at the different spatio-temporal scales is the
joint use of sensors that have different spatial and spectral resolutions.
During the last year we have compared the information stored in the data obtained by two different sensors: the
MIVIS sensor (102 bands between VIS and TIR with a resolution of about 1m), onboard airplanes (single,
expensive observations) and a sensor with only 4 bands and 4m resolution, onboard the IKONOS satellite, which
provides a continuous monitoring of the territory.
We have also carried out an exploratory investigation of the potential of multiresolution techniques (wavelets)
for the spatio-temporal characterization of vegetation cover variability through the analysis of NOAA-AVHRR
satellite data (daily passages at the 1Km resolution).
198
Statistical analysis of geoelectrical time series
Geoelectrical time series were analysed to investigate time scale invariance. Our results put in evidence the
presence of dynamical correlation in the observed data, which show a power spectrum with power-law features.
A significant correlation was also found between temporal variability of parameters describing scale properties
of geoelectrical signals and seismic sequences.
Development of integrated methodologies for local energy-environmental planning
The activities relative to local energy-environmental planning concerned the development of the Advanced Local
Energy-Planning methodology (ALEP), which is aimed to point out integrated strategies for reducing the
greenhouse gases emissions. framework the main operative topics were:
Realisation of a Val d’Agri GIS for the representation of thematic maps relative to consumption and emissions;
Modeling and optimisation of local scale energy systems (Potenza and the Agri Valley) made up by two regions
connected by energy and waste flows utilising the R-MARKAL models generator
Multiobjective evaluation of local scale feasibility of renewable technologies and technology innovation,
emphasising their role in CO2 abatement strategies and the consequences in terms of emissions of other
pollutants of interest on local scale (SOx, NOx, TSP). Trade –off curves were determined to estimate the extracosts and the long term taxation levels to achieve the prefixed targets.
Heavy metals concentration analysis in particulate of different dimensions and under different local
meteoclimatic conditions to characterise the impact of different sources.
Integration of chemical-physical techniques and geo-electromagnetic techniques to measure soil contaminants.
Development of methodologies based on satellite data to characterise the spatio-temporal scales of
desertification processes. We will exploit different resolution satellite images to follow desertification
phenomena.
Multiresolution analysis of geoelectrical signals to chatacterise the influence of environmental conditions, such
as rain events, on soil electrical variability.
Development and implementation of comprehensive local scale models for recovery strategies with reference to
local scale pollution phenomena and climate change.
Definition of an LCA pilot case study for a subsequent integration of results within the comprehensive model.
Pubblicazioni su riviste internazionale
1.
R. Caggiano, M. D’Emilio, M. Macchiato, M. Ragosta Experimental and statistical investigations on
atmospheric heavy metals concentrations in an industrial area of Southern Italy. Il Nuovo Cimento C,
24(3), 391-406(2001)
2. V. Cuomo, V. Lapenna, M. Macchiato, L. Telesca. Identifying space-time clustering properties of the
1983-1997 Irpinia-Basilicata (Southern Italy) seismicity. Tectonophysics, 330, 93-102 (2001)
3. L. Telesca, V. Cuomo, V. Lapenna ,M. Macchiato, Intermittent-type temporal fluctuations in seismicity
of the Irpinia(Southern Italy region) Geophysical Research Letters 28(19), 3765-3768 (2001)
4. L. Telesca, V. Cuomo, V. Lapenna, M. Macchiato, Statistical Analysis of fractal properties of point
processes modelling seismic sequences, Phys Planet Int. 125(1-4), 65-83 (2001)
5. Caggiano R., D’ Emilio M, Macchiato M., Ragosta M., Multivariate analysis for investigating profile
sources of atmospheric heavy metals emissions. Journal of Applied Statistical Sciences, 10, 123-131
(2001).
6. L.Telesca, V. Cuomo, V. Lapenna and M. Macchiato, A new approach to investigate the correlation
between geoelectrical time fluctuations and earthquakes in a seismic area of southern Italy , Geophys.
Res. Lett., Vol. 28 , No. 23 , 4375-4378, 2001
7. L.Telesca, V. Cuomo, V. Lapenna and M. Macchiato, Depth-dependent time-clustering behavior in
seismicity of southern California , Geophys. Res. Lett., Vol. 28, No. 22, 4323-4326, 2001
8. R. Caggiano, M. Ragosta, M. D’Emilio, M. Macchiato Rye grass species as biomonitors of atmospheric
heavy metal emissions, Fresenius Environmental bullettin, vol.10, n. 1, 31-36 (2001)
9. G. Colangelo, M. Lanfredi, V. Lapenna, M. Macchiato, F. Vallianatos. Short time scale laws in selfpotential signals from two different seismically active Mediterranean areas (the southern Apennine
chain and the Crete island), Annali di Geofisica, 44(2), 421428 (2001)
10. V. Cuomo, M. Lanfredi, R. Lasaponara, M. F. Macchiato T. Simoniello Detection of interannual
variation of vegetation in middle and southern Italy during 1985-1999 with 1 km NOAA AVHRR,
Journal of Geophysical Research D, 106(16) 17863-17876 (2001).
199
11. C.Cosmi, M. Macchiato, I. Mancini, L. Mangiamele, S. Masi, M. Salvia - The management of urban
waste at regional scale: the state of the art and its strategic evolution – case study Basilicata region
(Southern Italy). Fresenius Environmental Bulletin, 10: 131-138, (2001)
12. M. Salvia, C. Cosmi, M. Macchiato, L. Mangiamele - A MARKAL implementation for whole system
modelling: a focus on the waste management system. Resources, Conservation and Recycling, 34/2:91106, (2001).
Articoli in volumi a diffusione internazionale
M. Ragosta, R. Caggiano, M. D’Emilio, R. Lasaponara, M. Macchiato, T. Simoniello A procedure for
integrating monitoring techniques, in situ and in remote sensing, aimed to evaluate environmental impact of
industrial activities: the case of Melfi industrial area (Southern Italy). Proceeding of the International Workshop
on Geo-Spatial Knowledge Processing for Natural Resource Management, pagg.294-297, Varese, 2001
M. D’Emilio, R. Caggiano, V. Lapenna, M. Macchiato, S. Piscitelli, M. Ragosta, E. Rizzo. Integrated techniques
for environmental and geophysical moniotring in Agri valley (Basilicata, Italy). In New Paradigms for the
Prediction of Subsurface Conditions EuroConference on Characterisation of the Shallow Subsurface:
Implications for Urban Infrastructure and Environmental Assessment, pag.48, Spa, 2001
C. Cosmi, V. Cuomo, M. Macchiato, L. Mangiamele, F. Pietrapertosa, M. Salvia Toward a sustainable waste
management system: a comprehensive assessment of thermal and electric energy recovery from waste
incineration. Proceedings of the International Workshop "System Studies for Integrated Waste Management",
Stockholm (Svezia), 2001
Presentazioni a congressi internazionali di comunicazioni scientifiche
R. Lasaponara, V. Cuomo,M. Macchiato, T. Simoniello Methods based on remote sensing data for
environmental monitoring to support national and regional protection agencies AGU Spring meeting , Boston
(2001)
C.Cosmi, M. Macchiato, G. Marmo, F. Pietrapertosa, M. Salvia - Approaching the Kyoto targets: the role of
renewable and technology innovation at local scale. Proceedings of the “XI International Symposium on
Environmental Pollution and its Impact on Life in the Mediterranean Region – MESAEP”, Limassol, (Cyprus),
A1, (2001)
R. Caggiano, M. D’Emilio, M. Macchiato, M. Ragosta Investigations on heavy metals bioavailable fraction in
topsoil: observed data from 1993 to 2000 in Melfi industrial area (Italy) 7th Meeting on Environmental and
Engineering Geophysics Birmingham (U.K.), 222-223, (2001)
R. Caggiano, M. D’Emilio, V. Lapenna, M. Macchiato, M. Ragosta, E. Rizzo Heavy metals monitoring in soil
and subsoil with chemical and biochemical techniques 11th International Symposium on “Environmental
Pollution and its Impact on Life in Mediterranean Region” Limassol (Cipro), c52, (2001)
V. Cuomo, M. Macchiato and L. Telesca, Fractal investigation of correlations between geoelectrical signals and
seismicity in southern Italy, PIERS 2001, Progress in Electromagnetic Research Symposium, Osaka, 2001
V. Cuomo, M. Lanfredi, R. Lasaponara, M. F. Macchiato T. Simoniello, Quantification and removal of orbital
drift and calibration instability effects on AVHRR-NDVI time series, The EUMETSAT Meteorological Satellite
Data Users’ Conference Antalya,Turkey,2001
Presentazioni a congressi di comunicazioni scientifiche nazionali
M. Macchiato, R. Caggiano, C. Cosmi, M. D’Emilio, M. Lanfredi, R. Lasaponara, L. Mangiamele, G. Marmo, F.
Pietrapertosa, M. Ragosta, M. Salvia, T. Simoniello – The application of ALEP methodology to the assessment
of sustainable air quality recovering strategies by the implementation of an integrated optimising model.
Congresso Nazionale per la Fisica della Materia, Roma, 18-22 Giugno 2001.
200
FISICA DEI FASCI E FISICA DEGLI ACCELERATORI
SVILUPPO DI ACCELERATORI DI PARTICELLE
D. Davino*, R.Fedele, F. Galluccio*, M.R. Masullo*, V.G.Vaccaro, L. Verolino*, L. De Menna*, A. D’Elia
Attività 2001
Il gruppo svolge la sua attivita' in collaborazione con diversi laboratori di ricerca: LNF
(Frascati) e LNL (Legnaro) in Italia, Universita’ di Milano, DESY (Hamburg), GSI
(Darmstadt), KFA (Juelich) e CERN (Geneva), affrontando problematiche sia teoriche, che
sperimentali, nell'ambito di specifici progetti di macchine acceleratrici e di ricerche di
interesse piu' generale nella fisica degli acceleratori.
Fasci ad alta intensita' e instabilita' coerenti. Collaborazione con il GSI di Darmstadt
(Germania): e’ stato realizzato un sistema di feedback per la correzione delle instabilita'
trasverse su un anello per ioni pesanti al GSI. Cuore del sistema e' l'eliminazione della
componente di offset di orbita chiusa dal segnale di posizione del fascio onde poter studiare
solo il termine realmente dovuto alle instabilita'; tale scopo e' raggiunto tramite
l'implementazione di un filtro, detto notch filter, che agisce ad ogni giro di macchina. Il filtro
e’ risultato piu’ efficace rispetto ad un altro precedentemente installato (BOSS filter), tenendo
anche conto dei rapidi tempi di innesco delle instabilita’.
Sempre in collaborazione con il GSI e il CERN di Ginevra sono stati conclusi gli studi sulla
compressione veloce per un intenso fascio di protoni (Neutrino factory) mostrando che la
compressione puo’ essere ben effettuata al di sopra dell’energia di transizione con una ridotta
tensione RF applicata alla cavita’.
Analisi teorico-sperimentale di strutture risonanti per acceleratori.
Le moderne applicazioni delle macchine acceleratici richiedono elevata energia dei fasci di
particelle, con la conseguente necessita’ di elevati gradienti di campo accelerante, e alta
intensità. Tali richieste sono spesso in contrasto con il controllo di fenomeni che possono
deteriorare il fascio stesso.
Fra gli elementi principali di un acceleratore, che vanno ridefiniti al fine di limitare il
deterioramento del fascio, pur soddisfacendo alle richieste di cui sopra, sono le cavità
acceleratici, in cui un fascio molto intenso può generare modi di ordine superiore (HOM) che
se non opportunamente attenuati possono risultare nocivi alla dinamica del fascio. Le cavità
sono inoltre la parte fondamentale di un acceleratore lineare. In una cavità acceleratrice il
modo fondamentale risonante deve essere ad alto fattore di merito e presentare un campo
elettrico associato quanto più possibile localizzato intorno all’asse longitudinale,
contemporaneamente i modi superiori devono essere limitati, a basso fattore di merito e con
frequenze diverse dalle armoniche superiori associate al fascio.
Studi su strutture di nuova concezione sono la base dei futuri acceleratori di particelle. A tale
scopo sono state studiate due nuove cavita’ a soppressione di modi e funzionanti a 3GHz: tipo
Shintake e tipo Photonic band gap (PBG).
Per la prima le misure della matrice di diffusione longitudinale hanno fornito soddisfacenti
risultati, che sono stati positivamente confrontati con quelli provenienti da uno studio teorico,
effettuato tramite teoria di Mode-Matching. La risposta in trasmissione, misurata in un
intervallo di frequenze da 1 GHz ai 9 GHz, e’ stata comparata con una pill-box onde evincere
l'efficacia della soppressione dei modi superiori ai 3GHz.
Le strutture PBG sono strutture periodiche, realizzate con materiali dielettrici e/o metallici, la
cui periodicità si può estendere in una, due o tre dimensioni. La periodicità implica la
201
presenza alternata di bande permesse e bande proibite nello spettro della trasmittività. Infatti,
lungo le direzioni di periodicità esistono intervalli di frequenze in cui la radiazione associata
non si può propagare: creando in tali strutture un difetto, che rompe la periodicità, si può far sì
che uno o piu’ modi, interni alla banda proibita, restino localizzati intorno al difetto stesso.
Per tal motivo i modi risonanti di una cavità a radiofrequenza che cadono nell’intervallo
proibito, non possono propagarsi verso l’esterno e restano localizzati intorno al difetto (che
potrebbe essere il foro centrale per il passaggio delle particelle); con un’opportuna
realizzazione essi possono raggiungere elevati fattori di merito.
A partire da tale idea abbiamo progettato, realizzato e studiato una cavità a 3GHz tutta
metallica che ci ha fornito ottimi risultati. Le misure del coefficiente di trasmissione sono in
ottimo accordo con le simulazioni al calcolatore e mostrano come l’unico modo superiore
presente nella banda di analisi (sino ai 9GHz) abbia un fattore di merito molto basso.
Acceleratori per terapia oncologica. Si e' continuato il programma di ricerca e sviluppo, svolto
in collaborazione con altri gruppi italiani e con il CERN di Ginevra, di un acceleratore lineare
compatto per protoni per terapia oncologica profonda (fino a 20 cm). La frequenza di
operazione del linac e' di 3 GHz. Sono stati completati i test di potenza del modulo alimentato
con un klystron a 3 GHz presso il CERN di Ginevra. Essi hanno mostrato che al massimo
della potenza di alimentazione (17 MW) si ottiene un livello di campo sull’asse del modulo
di 27.5 MV/m ben oltre il valore atteso di 15 MV/m. A partire da questi ottimi risultati e’
iniziato uno studio per una struttura ancora piu’ compatta a 3GHz e quindi maggiormente
adattabile a siti ospedalieri. Il gruppo napoletano sta inoltre studiando un linac a frequenza
piu’ elevata (6 GHz).
Il modulo LIBO e‘ stato poi trasferito presso i laboratori dell’INFN di Catania ove sono stati
realizzati test di accelerazione con un fascio di protoni da 62 MeV provenienti da un
ciclotrone. Durante i primi test, la struttura ha risposto molto bene, non mostrando effetti di
breakdown e dopo un rapido condizionamento il fascio è stato accelerato di 10 MeV, come
previsto dalla teoria.
Contemporaneamente il gruppo napoletano continua l'analisi delle metodologie di misura di
cavita’ accoppiate tramite simulazione con circuito RLC onde trovare una procedura di tuning
per il modulo intero. Un’ analisi perturbativa potrebbe fornirci risposte al comportamento
della struttura nel suo complesso, in modo da poter poi ricavare dati sulle singole celle di
partenza.
Analisi teorico-sperimentale di strutture risonanti per acceleratori. Continuera’ lo studio della
cavita’ tipo Shintake a 3GHz, per implentare anche la misura dei coefficienti di trasmissione
trasversi (analisi teorico-sperimentale). Per quando riguarda le cavita’ a banda fotonica si
intende studiare e realizzare un progetto di cavita’a 15 GHz di tipo superconduttore che sara’
poi misurata presso i laboratori di criogenia del Dipartimento di Scienze Fisiche.
Acceleratori per terapia oncologica. Sono previste ulteriori misure di efficienza di
accelerazione del modulo LIBO presso i Laboratori Nazionali del Sud dell'INFN (Catania) per
meglio definire i parametri del fascio accelerato. Ulteriori sviluppi dell'analisi delle
metodologie di misura tramite simulazione con circuito RLC onde trovare una procedura
globale di tuning per il modulo intero.
Studio di linac compatti per protoni a 6GHz, 60 MeV e a 3GHz, 30 MeV. L’estensione ad
energie piu’ basse parte dall’idea di poter utilizzare tali linac anche in centri medici che
posseggono ciclotroni per produzione di radioisotopi. Entrambi i progetti sono basati su
un’idea innovativa proposta dal gruppo napoletano per un nuovo tipo di configurazione che
dovrebbe aumentare il Q delle cavità previste per i linac.
202
2001 Activity
The group carries out its activity in collaboration with different research laboratories: LNF (Frascati) and LNL
(Legnaro) in Italy ,Milan University, DESY (Hamburg), GSI (Darmstadt), KFA (Juelich) and CERN (Geneva),
working on general theoretical accelerator problems, experimental topics and machine projects.
High intensity beams and coherent instabilities . In the framework of a collaboration with the GSI (Darmstadt),
a feedback system has been realised for the transverse instability correction on an heavy-ion ring at GSI. Core
of the system is to delete the closed orbit offset harmonic from the total signal related to the beam position in
order to study the harmonic component due to instabilities; the goal has been reached by means of a filter,
called notch filter, which acts at each turn. The filter resulted to be more efficient than a BOSS filter previously
installed, also taking into account the instability quick rising times.
In collaboration with GSI and CERN (Geneva) the fast compression studies were concluded showing that the
compression can be well performed for an high intensity proton beam above transition energy, with a reduced
RF voltage (Neutrino factory).
Theoretical-experimental analysis of resonant structures for accelerators. The modern accelerator applications
require high energy, with the linked need of high accelerating field gradients, and high intensity particle beams.
These requirements are often in contrast with the control of phenomena which can deteriorate the beam.
Between all the main accelerator elements which must be redesigned in order to minimise the beam
deterioration, but satisfying the above requirements, there are the accelerating cavities, in which an high
intensity beam can generate high order modes (HOM), which if not properly damped could be dangerous for
beam dynamics. Furthermore, cavities are fundamental part of a linear accelerator. In an accelerating cavity ,
the resonant fundamental mode must have an high merit factor (Q) and its associated electric field must be as
much localised as possible around the longitudinal axes, whereas higher modes must be limited, with a low Q
factor and with frequency values different from higher harmonics linked to the beam. Studies on new structures
are the base of future particle accelerators. To this aim two new suppression mode cavities have been studied at
3GHz: a Shintake type and a photonic band gap type (PBG).
For the first one longitudinal scattering matrix measurements gave very satisfactory results, which have been
compared with theoretical ones, obtained by means a Mode-matching theory. The transmission answer,
measured in the 1 GHz – 9GHz interval, has been compared with a pill-box behaviour in order to demonstrate
the effectiveness of high order mode suppression above 3GHz.
The PBG structures are periodical ones, made with dielectric or/and metallic materials, where their periodicity
can be in one, two or three dimensions. The periodicity implies the presence of allowed or forbidden bands in
the transmission spectrum . Actually, along periodicity directions frequency bands are present in which the
associated radiation cannot propagate: making a defect in the structure that will destroy the periodicity one can
allow one or more modes , inside the prohibited band, to remain localised around the defect. For this reason the
RF cavity resonant modes, which are inside the prohibited band, cannot propagate outside and they remain
localised around the defect (that can be the central hole for the beam passage); by means of a particular design
these modes can have very high Q factor.
On the base of this idea we designed, constructed and studied a metallic 3GHz cavity that gave us very good
results. The transmission coefficient measurements are in excellent agreement with computer simulations and
they show as the only one higher mode present in the analysed band (till 9GHz) has very low Q factor.
Accelerator for oncological therapy. We continued the research and development program, in collaboration with
other Italian groups and CERN, for a compact linear accelerator for protons for deep oncological therapy (till
20 cm). The linac working frequency is 3 GHz. Power tests have been completed on the module fed by a klystron
at 3GHz at CERN. These tests showed that at the maximum feeding power (17MW) a longitudinal axes field level
of 27.5 MV/m can be reached well beyond expected value of 15 MV/m. Starting from these excellent results a
new study has begun for a more compact structure at 3GHz, so more suitable for medical centers. Furthermore
the Neapolitan group is studying an higher frequency linac (6GHz).
The LIBO module has been transferred to the National Laboratories of INFN (Catania) for acceleration tests
with a 62 MeV proton beam from a cyclotron. During the first tests, the module gave very good results without
showing breakdown effects and after a quick conditioning an acceleration of 10 MeV has been obtained, as it
was foreseen from the theory.
At the same time the Neapolitan group is continuing the analysis of coupled cavity measurement methodologies
by means of RLC circuit simulations for finding a tuning procedure for the entire module. A perturbative
analysis could give us answers to the structure global behaviour in order to extract from them data on the single
cell characteristics.
203
Theoretical-experimental analysis of resonant structures for accelerators. The study of Shintake cavity will
continue at 3GHz in order to perform also the measurement of the transverse transmission coefficient
(theoretical-experimental analysis). Regarding the photonic band gap cavities we intend to study and realize a
project of a 15 GHz superconduncting cavity which will measured at the cryogenic laboratory of the
Department.
Oncological therapy accelerators. Further measurement on the LIBO module acceleration efficiency are
foreseen at South National Laboratories of INFN (Catania) in order to better characterise the extracted
accelerated beam. New developments in the analysis of measurement methodologies by means of RLC circuit
simulations for finding out a global tuning procedure for the entire module.Proton compact linac studies at
6GHz, 60 MeV and at 3GHz, 30 MeV. The extension to lower energies allows for the use of linacs also in
medical centers which have cyclotrons for the radioisotope production. Both projects are based on an
innovative idea of the Neapolitan group for a new configuration, which will increase the cavity Q.
Presentazioni a congressi di comunicazioni scientifiche internazionali
G.Rumolo and I. Hofmann “ A study of fast bunch rotation in the negative mass region” Proc. PAC 2001
Particle Accelerator Conference, Chicago, 16 – 22 June 2001 and CERN SL-2001-042-AP;
M. Weiss, U. Amaldi, K.R. Crandall, D. Toet, R. Zennaro (TERA Foundation, Novara, Italy) , P. Berra, E.
Rosso, B. Szeless, M. Vretenar (CERN) , D. Giove, M.R. Masullo (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) , C.
Cicardi, C. De Martinis (University of Milan, Italy) , D. Davino, V.G. Vaccaro (University of Naples, Italy)
“SUCCESSFULL HIGH POWER TEST of a PROTON LINAC BOOSTER (LIBO) PROTOTYPE for
HADRONTHERAPY” , Proc. PAC 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago, 16 – 22 June 2001
D. Davino, L.De Menna, S.Falco, M.R. Masullo, V.G. Vaccaro, “A perturbative study of the scattering matrix of
a two-port device chain” Proc. Of the XI international Symposium on Theoretical Electrical Engineering, Linz
(August 2001);
Capitoli di libri, cataloghi, mostre, rapporti di laboratori
A. D’Elia, “ Study and realization of a digital Notch filter for TFS in the SIS” - GSI (Darmstadt) report 2001;
E. Rosso, B. Szeless, M. Vretenar, R. Zennaro, C. Cicardi, D. Giove, C. De Martinis, D. Davino, M.R. Masullo,
V.G. Vaccaro, U. Amaldi, P. Berra, K. Crandall, M. Weiss, “The first module of the proton –linac ‘LIBO’ has
been tested at full power” PARTICLES Newsletter No 27 January 2001.
204
METODOLOGIE QUANTUMLIKE
E METODOLOGIE CONVENZIONALI
S. De Nicola*, R. Fedele, M.R. Masullo*, V.G.Vaccaro
Attività 2001
Il gruppo collabora con i seguenti studiosi stranieri: Prof. Dan Anderson, Prof. Mietek Lisak
(Department of Electromagnetics, Chalmers University of Technology, GÖteborg, Sweden),
Prof. Vladimir I. Karpman (Racah Institute of Physics, Hebrew University of Jerusalem,
Israel), Prof. Margarita A. Man’ko, Prof. Vladimir I. Man’ko (Lebedev Physical Institute,
Moscow, Russia), Prof. Hans Schamel (Physikalisches Institut, Universitaet Bayreuth,
Germany), Prof. Padma K. Shukla (Institut fur Theoretische Physik, Ruhr-Universitaet,
Bochum, Germany), Prof. Lennart Stenflo (Department of Plasma Physics, Umea University,
Svezia), Prof. N.L.Tsintsadze (Georgian Academy of Sciences, Tbilisi, Georgia).
Il gruppo continua a far parte di una collaborazione nazionale riguardante l’uso e lo sviluppo
di metodologie quantistiche e stocastiche in fisica degli acceleratori.
La ricerca svolta nel 2001 ha impegnato molto il gruppo e molto del lavoro svolto apparirà in
forma di pubblicazioni nel 2002.
A. METODOLOGIE QUANTUMLIKE
1. Instabilità modulazionale e smorzamento di Landau in mezzi non lineari.
Plasmi
In collaborazione con i Proff. Anderson, Lisak e Shukla, gli studi sugli aspetti quantumlike del
Landau damping, già applicati alla propagazione non lineare in regime ottico, sono stati estesi
alle situazioni specifiche degli inviluppi d’onda di Langmuir accoppiati alla dinamica di bassa
frequenza delle onde elettroacustiche in plasmi non magnetizzati. In questa descrizione un
ruolo importante è giocato dalle quasi-particelle.
Condensati di Bose-Einstein
Un’investigazione sull’interazione fra due condensati di Bose-Einstein ha mostrato l’esistenza
di una nuova classe di modi puramente crescenti (purely growing modes). L’analisi, per ora
preliminare, mostra che condensati modulazionalmente instabili potrebbero saturare attraverso
la formazione di onde di shock dispersive oppure di treni d’onda non periodici e nonlineari.
Questo studio è stato svolto in collaborazione con i Proff. Shukla e Stenflo.
2. Effetti quantumlike nelle linee elettriche di trasmissione
In collaborazione con i Proff. M.A. Man’ko e V.I. Man’ko del Lebedev Physical Institute di
Mosca (Russia) è stata sviluppata una descrizione di tipo quantumlike delle linee elettriche di
trasmissione con l’uso di un’appropriata equazione (lineare) di tipo Schroedinger. Lo sviluppo
di una tale descrizione è motivata dalle seguenti esigenze e/o finalità:
- descrizione di fenomeni propagativi in fisica degli acceleratori specificando l’indice di
rifrazione equivalente del mezzo attraverso l’impedenza (trasversa e/o longitudinale) di
accoppiamento;
- descrivere la propagazione di segnali inviluppo di natura elettrica in linee di trasmissione
debolmente dispersive per simulare fenomeni ondulatori legati ad effetti e/o principi ben noti
in meccanica quantistica per finalità di tipo didattico. Uno dei vantaggi sarebbe, per esempio,
quello di impiegare una tecnologia relativamente economica, facilmente maneggevole e
sicuramente accessibile agli studenti dei primi anni del corso di laurea in fisica. In una prima
investigazione si è deciso di concentrare l’attenzione sulla simulazione di due classici
205
argomenti di meccanica quantistica: l’effetto Ramsauer-Townsend e il principio di FrankCondon.
3. Solitoni e inviluppi solitonici.
La costruzione di una corrispondenza formale tra l’ordinaria equazione di Korteweg de-Vries
e l’ordinaria equazione di Schroedinger non lineare di tipo cubico e le loro soluzioni di tipo
solitonico, sviluppata lo scorso anno, è stata estesa ad una molto più ampia famiglia di
equazioni generalizzate di Korteweg de-Vries e di equazioni generalizzate di Schroedinger
non lineari. Ciò ha permesso di costruire una tecnica, che sembra piuttosto promettente, per
determinare soluzioni solitoniche di una famiglia di equazioni a partire da quelle dell’altra
famiglia. In particolare, con il suddetto approccio sono state determinate soluzioni solitoniche
del tipo bright, dark e grey dell’equazione nonlineare di Shroedinger modificata con non
linearità cubiche e quintiche. Queste ricerche sono state condotte in collaborazione con i Proff.
Schamel e Shukla.
B. METODOLOGIE CONVENZIONALI
Dinamica collettiva nell’ambito della Hole Equilibria Theory.
In collaborazione con il Prof. H. Schamel è stata sviluppata una teoria cinetica autoconsistente
nell’ambito della dinamica longitudinale di un fascio di particelle cariche in un anello di
accumulazione con l’inclusione di termini aggiuntivi nell’impedenza di accoppiamento. Ciò
ha permesso di formulare le condizioni di esistenza delle “buche” (holes) e
dell’intrappolamento delle particelle. In questo framework è stata inoltre costruita una
descrizione per le soluzioni periodiche del sistema Vlasov-Poisson generalizzato in macchine
acceleratrici circolari. Queste soluzioni rappresentano stati collettivi “stazionari” del fascio di
particelle in interazione col mezzo circostante in varie condizioni di non linearità (regime di
grande ampiezza). I risultati ottenuti sono stati utilizzati per avviare una comparazione con
quelli recentemente ottenuti in osservazioni sperimentali con il CERN Proton Synchrotron
Booster, le quali mostrano la longevità e/o la stazionarietà di strutture di tipo “buche”
(holelike) in fasci coasting. I risultati di questa comparazione, sebbene preliminari, sembrano
essere già molto incoraggianti.
Attività prevista per il 2002
La ricerca prevista per il 2002 riguarda i seguenti problemi.
A. METODOLOGIE QUANTUMLIKE
a. Smorzamento di Landau in mezzi non lineari e formazione di strutture solitoniche.
Onde del mare
Nell’ambito di una nascente collaborazione con studiosi dell’Università di Torino (M.
Onorato et al.) sui fenomeni nonlineari nella propagazione delle onde di superficie del mare
(governata da un’equazione del tipo Schroedinger non lineare), si prevede di affrontare lo
studio del meccanismo di trasferimento dell’energia attorno al picco delle spettro delle
suddette onde, considerando effetti di non omogeneità. In tale studio si prevede la descrizione
quantumlike dell’instabilità modulazionale (instabilità di Benjamin-Feir) e della predizione
dello smorzamento di Landau come antagonista alla formazione di strutture coerenti.
Plasmi
Nell’ambito di una collaborazione con i proff. Shukla e Tsintsadze e con il Dr. M. Onorato, si
prevede di studiare in un plasma l’accoppiamento non lineare tra fasci di radiazione
206
elettromagnetica e perturbazioni non risonanti di densità ionica, tenendo conto della
variazione relativitica della massa e dell’effetto ponderomotore, innescati ambedue dal regime
di grande ampiezza delle onde. La finalità è mostrare l’esistenza di una non linearità quintica,
dello stesso ordine di quella cubica, ambedue presenti in una opportuna equazione non lineare
di Schroedinger, che porterebbe a predire l’esistenza di nuove strutture localizzate di tipo
bright, dark e grey.
b. Solitoni e tecniche tomografiche.
Nell’ambito della collaborazione con i Proff. M.A. Man’ko e V.I. Man’ko, si affronterà lo
studio della rappresentazione tomografica degli inviluppi solitonici che siano soluzioni
dell’equazione non lineare di Schroedinger. Questo studio è motivato dall’esigenza di
ricostruire la fase dell’inviluppo solitonico a partire da misure dell’intensità. Le distribuzioni
di probabilità (tomogrammi) sono al solito date per mezzo di una appropriata funzione
marginale.
B. METODOLOGIE CONVENZIONALI
a. Formazione e dinamica collettiva dell’electron cloud.
Continuerà la fase “istruttoria” consistente nella raccolta comparata di osservazioni
sperimentali sulla formazione e la dinamica collettiva innescata dalla nube elettronica
(electron cloud) che si origina durante la propagazione dei bunches di protoni nella macchine
circolari di alta energia nel tentativo di elaborare in futuro un soddisfacente modello
interpretativo.
b. Dinamica collettiva nell’ambito della Hole Equilibria Theory.
Continuerà la collaborazione con il Prof. H. Schamel sulle applicazioni della HET (Hole
Equilibria Theory), per migliorare la comparazione con i dati sperimentali del CERN Proton
Synchrotron Booster sulla longevità e/o la stazionarietà di strutture di tipo “buche” in fasci
coasting.
2001 Activity
The group works in collaboration with the following foreign scientists: Prof. Dan Anderson, Prof. Mietek Lisak
(Department of Electromagnetics, Chalmers University of Technology, GÖteborg, Sweden), Prof. Vladimir I.
Karpman (Racah Institute of Physics, Hebrew University of Jerusalem, Israel), Prof. Margarita A. Man’ko, Prof.
Vladimir I. Man’ko (Lebedev Physical Institute, Moscow, Russia), Prof. Hans Schamel (Physikalisches Institut,
Universität Bayreuth, Germany), Prof. Padma K. Shukla (Institut für Theoretische Physik, Ruhr-Universität,
Bochum, Germany), Prof. Lennart Stenflo (Department of Plasma Physics, Umea University; Svezia), Prof.
N.L.Tsintsadze (Georgian Academy of Sciences, Tbilisi, Georgia).
It is involved in a national collaboration on quantum and stochastic methodologies in accelerators.
The group worked very intensely in 2001, but most of the relevant publications will appear in 2002.
A. QUANTUMLIKE METHODOLOGIES
1. Modulational instability an Landau damping in nonlinear media.
Plasmi
In collaboration with Prof.s D. Anderson, M. Lisak and P.K. Shukla, the researches on the quantumlike aspects
of the Landau damping, already applied to nonlinear e.m. propagation, have been extended and applied to the
Langmuir envelopes coupled with the low-frequency response of the electroacoustic waves in unmagnetized
plasmas. In this description an important role is played by the quasi-particles.
207
Bose-Einstein condensates
A preliminary investigation collaboration with Prof.s P.K. Shukla and L. Stenflo on the interaction of two BoseEinstein condensate has shown the existence of a new class of purely growing modes. Condensates
modulationally unstable may saturate through the formation of shock waves as well as nonlinear and
nonperiodic trainwaves.
2. Quantumlike effects in the electric transmission lines.
In collaboration with Prof.s M.A. Man’ko e V.I. Man’ko a quantumlike description of the electric transmission
lines has been developed with the use of an appropriate (linear) Schroedinger equation. The goals of our study
are the following:
- description of propagation phenomena in particle accelerator physics, by specifying the effective
refractive index in terms of the (longitudinal or transverse) coupling impedance;
- description of the propagation of an electric signal envelope in weakly dispersive transmission lines,
suitably used for simulating quantum mechanics. Using manageable and at the same time non-expensive
technology, several quantum mechanical problems can be simulated for significant tutorial purposes. In
this preliminary analysis, where the electric signal envelope propagation through the line is governed
by a Schrödinger-like equation for a complex funtion, representing the low-frequency component of the
signal, we considered two classical examples, i.e. the Frank-Condon principle and the RamsauerTownsend effect.
3. Solitons and envelope solitons.
A theory involving a correspondence between envelope solitonlike solutions of the generalized nonlinear
Schrödinger equation (GNLSE) and solitonlike solutions of the generalized Korteweg-de Vries equation
(GKVdE) has been developed within the context of the Madelung's fluid description (fluid counterpart
description of the GNLSE). This correspondence, which, under suitable constrains, can be made invertible,
seems to be very helpful for finding one family of solutions (whether envelope solitonlike solutions of the GNLSE
or solitonlike solutions of the GKdVE) starting from the knowledge of the other family of solution (whether
solitonlike solutions of the GKdVE or envelope solitonlike solutions of the GNLSE). The theory has been
successfully applied to a wide classes of both modified nonlinear Schrödinger equation (MNLSE) and modified
Korteweg-de Vries equation (MKVdE), for which bright and grey/dark solitonlike solutions are found. In
particular, bright and gray/dark solitary waves are for the MNLSE with a cubic-quintic nonlinearities.
B. CONVENTIONAL METHODOLOGIES
Collective dynamics within the framework of Hole Equilibria Theory.
In collaboration with Prof. Schamel a self-consistent kinetic theory of the longitudinal charged-particle beam
dynamics in a storage ring has been developed. This theory includes extra tems in the longitudinal coupling
impedance and is capable of predicting the existence of holes and the particle trapping. Furthermore, a periodic
solution description of the generalized Vlasov-Poisson system has been given. They play the role of stationary
collective states of the beam while interacting with the surroundings. The results have been used to start a
comparison, which seems to be very promising, with the experimental data of the CERN Proton Synchrotron
Booster, that show the formation of very longeve and/or stationary holelike structures.
Activity expected for 2002
The research activity to be carried out in 2002 concerns with the following topics.
A. QUANTUMLIKE METHODOLOGIES
a. Landau damping in nonlinear media and formation of solitonlike structures.
Ocean waves
Within the framework of a new collaboration with researchers of University of Torino (M. Onorato et al.) on
nonlinear phenomena occuring in the propagation of the surface ocean waves (governed by a nonlinear
Schroedinger equation), we expect to study the mechanism of energy transfer around the spectrum peak, taking
into account the inhomegeneities. In this study we expect to describe the Benjamin-Feir instability and to predict
the Landau damping as antagonist of coherent structure formation.
208
Plasmi
In collaboration with Prof.s P.K. Shukla and Tsintsadze and with Dr. M. Onorato, we expect to study the
nonlinear coupling of electromagnetic beams with non resonant ion density perturbations in plasmas, taking into
account the relativistic electron mass variation and the ponderomotive effect that are both due to the large
amplitude regime. The main goal of our investigation is to show that the above interaction is governed by a
nonlinear Schroedinger equation with both cubic and quintic nonlinearities that are of the same order of
magnitude. We expect to predict new solitary structures.
b. Solitons and tomographic techniques.
In collaboration with Prof.s M.A. Man’ko e V.I. Man’ko we will study the tomographic representation of
envelope solitons that are solutions of the cubic and a wide family of modified nonlinear Schroedinger equations.
This study is related to the need to know the phase of the envelope solitons starting from a measure of the
intensity (for instance in an optical fiber). The probability distributions (tomograms) are, as usually, given in
terms of the marginal distribution.
B. CONVENTIONAL METHODOLOGIES
a. Production and collective dynamics of the electron cloud.
We will continue the preliminary investigation consisting in collecting and compare the main experimental
observations concerning the formation mechanism of the electron cloud and the related collective dynamics
involved during the propagation of proton bunches in circular high-energy accelerating machines. This
preliminary stage is necessary in order to provide for a future reasonable physical model.
b. Collettive dynamics in the framework of the Hole Equilibria Theory.
We will continue the collaboration with Prof. Schamel on the application of the HET (Hole Equilibria Theory),
in order to improve the comparison with the experimental data of the CERN Proton Synchrotron Booster on the
longevity and/or stationary behaviour of the holelike structures in coasting beams.
Pubblicazioni internazionali
21. R. Fedele, G. Gorini, G. Torelli, and D. Zanello, Recombination rate Estimate in the Quantum-like
Description of a Nested Trap, Physica Scripta 64, 144 (2001)
22. D. Anderson, R. Fedele, and M.Lisak, A tutorial presentation of the two stream instability and Landau
damping, Am. J. Phys. 69, 1262 (2001)
23. P.K. Shukla, L. Stenflo, and R. Fedele, Modulational Instability of two Colliding Bose-Einstein
Condensates, Physica Scripta 64, 553 (2001)
24. S. De Nicola, P. Ferraro, A. Finizio and G. Pierattini, “Two-beam interferometer for measuring aberrations
of optical components with axial symmetry” Applied Optics Vol. 40, 1631 (2001)
25. S. De Nicola, P. Ferraro, A. Finizio and G. Pierattini, “Correct-image reconstruction in the presence of
severe anamorphism by means of digital holography” Optics Letters 26, 974 (2001)
26. G. Carotenuto, S. De Nicola and L. Nicolais, “Spectroscopic study of the growth mechanism of silver
microclusters” Journal of Nanoparticle Research 3, 469 (2001)
lavori presentati in conferenze internazionali
1. Hall, M. Lisak, D. Anderson, R. Fedele, V.E. Semenov, Statistical description of nonlinear optical wave
dynamics based on the Wigner transform method, presentata al Nonlinear Guided Waves and Their
Applications Topical Meeting, Clearwater, Florida, March 25–28, 2001
2. M. Lisak, B. Hall, D. Anderson, R. Fedele, V.E. Semenov, P.K. Shukla, and A. Hasegawa, Nonlinear
dynamics of partially incoherent optical waves based on the Wigner transform method, presentata
all’International Topical Conference on Plasma Physics: New Plasma Horizons, Faro (Portogallo), 3-7
September 2001
3. S. De Nicola, P. Ferraro, A. Finizio and G. Pierattini, “Phase Shifting Digital holography with Compensation
of Aberrations” Proceedings of SPAS Vol. 5/D42 –D47, Fifth International Workshop on New Approaches
to High-Tech: Nondestructive Testing and ComputerSimulations in Science and Engineering, St. Petersburg,
Russia 12-17 June (2001)
4. V. Chugunov, S. De Nicola, P. Ferraro, A. Finizio, I. Gurov, R. Koviazin and M. Volkov, “Phase
Reconstruction Method for Wave Front Analysis in Two Beam Shearing Interferometry”, The 4th
209
International Workshop on Automatic Processing of Fringe Patterns, FRINGE 2001, Elsevier pp. 222 – 229,
September (2001)
5. S. De Nicola, P. Ferraro, A. Finizio and G. Pierattini, “Compensation of Aberrations in Fresnel off-axis
Digital Holography”, The 4th International Workshop on Automatic Processing of Fringe Patterns, FRINGE
2001, Elsevier pp. 407 – 412, September (2001)
Convegni organizzati con la partecipazione del gruppo
- R. Fedele è stato membro del Program Committee dell’International Topical Conference on Plasma Physics:
New Plasma Horizons, Faro (Portogallo), 3-7 September 2001; tra le tematiche della conferenza: descrizioni
quantum-like
- S. De Nicola è stato membro del Comitato Organizzatore del Workshop Internazionale: "Optical Methods in
Earth Sciences", 21-24 March 2001, Capo Miseno (Bacoli), Italy
Relazioni su invito da pubblicare su atti
R. Fedele, H. Schamel and P.K. Shukla, Solitons in the Madelung’s Fluid. Plenary talk presentato da R. Fedele al
International Topical Conference on Plasma Physics: New Plasma Horizons, Faro (Portogallo), 3-7 September
2001
Direzione di progetti scientifici di interesse nazionale
E’ al terzo anno la collaborazione nazionale finanziata dall’INFN dal titolo: Metodologie Quantistiche e
Stocastiche negli Acceleratori. Coordinatore locale: R. Fedele
Direzione di progetti di interesse internazionale
Continua la collaborazione internazionale tra il gruppo di Napoli e il gruppo di Fisica dei Plasmi e dei Fasci di
Particelle Cariche diretto dal Prof. H. Schamel (Physicalishes Institut, University of Bayreuth, Germany),
finanziata dalla CRUI (per la parte italiana) e dalla DAAD (per la parte tedesca) nell’ambito del Programma
Vigoni, dal titolo: Nonlinear phenomena, instability and macroscopic coherence in charged-particle beam
dynamics. Responsabile locale: R. Fedele
Visiting professors
Nel 2001 il gruppo ha ospitato a Napoli, presso il Dipartimento di Scienze Fisiche i seguenti studiosi:
- Prof. M.A. Man’ko, Prof. V.I. Man’ko, P.N. Lebedev Physical Institute, Moscow (Russia)
- Prof. H. Schamel (Physicalishes Institut, University of Bayreuth, Germany)
- Prof. P.K. Shukla, Institute fur Theoretische Physic IV, Ruhr-Universitaet Bochum, Bochum (Germany)
210
FISICA MEDICA
RIVELATORI IBRIDI A SEMICONDUTTORE PER AUTORADIOGRAFIA
DIGITALE E SCINTIGRAFIA
E. Bertolucci, M. Maiorino*, G. Mettivier*, M.C. Montesi, P. Russo
Attività 2001
Il gruppo di Fisica Medica del Dipartimento di Scienze Fisiche partecipa alle collaborazioni
internazionali Medipix1 e Medipix2 (CERN, INFN e diverse Università e Istituti di ricerca
europei) che sviluppano rivelatori ibridi a semiconduttore (Si, GaAs, CdTe, CdZnTe) con
elettronica VLSI di lettura a conteggio di singolo fotone per applicazioni di imaging biomedico
e fisico. I rivelatori ibridi, fino ad ora realizzati, hanno una struttura a matrice di pixel quadrati
che con la tecnica del bump-bonding (microsaldatura a goccia) vengono connessi al chip
microelettronico di lettura che presenta la stessa segmentazione spaziale. Sono state realizzate
due versioni del chip Medipix: Medipix1, (64×64 pixel di lato 170 µm), sviluppato con
tecnologia SACMOS 1.0 µm, e Medipix2 (256x256 pixel di lato 55 µm), sviluppato con
tecnologia CMOS 0.25 µm. Ogni cella elettronica è costituita da un amplificatore,
discriminatore (a doppia soglia, nel caso di Medipix2), un contatore, e presenta una soglia
minima equivalente a circa 6-8 keV (Si).
Nel Laboratorio di Fisica Medica tale sistema con tecnologia Medipix1 è stato utilizzato per
studi autoradiografici con traccianti beta-emittenti di interesse medico-biologico (32P, 14C, 35S).
Il rivelatore e l’elettronica di lettura sono stati assemblati in un sistema autoradiografico,
denominato BETAview, con cui sono stati portati a termine esperimenti biologici (studi di
dinamiche di denaturazione di DNA e studi dinamici di sintesi proteica in cellule uovo). E'
stata inoltre realizzata una nuova interfaccia elettronica (pMUROS) per la lettura del chip
Medipix1, estremamente compatta e semplificata, con lo scopo di testare, con la tecnologia
disponibile Medipix1, la futura realizzabilita' di una mini gamma-camera per applicazioni in
linfoscintigrafia nella chirurgia radioguidata del linfonodo sentinella e per mammoscintigrafia
a piccolo campo di vista, basata sulla tecnologia Medipix2, ancora in fase di test. I test con il
sistema prototipale Medipix1, utilizzante rivelatori al Silicio e un collimatore a microfori
paralleli, hanno mostrato l'elevata risoluzione spaziale raggiungibile con tale tecnologia.
Il gruppo di Fisica Medica sviluppa, per conto di tutta la collaborazione, il software Medisoft
ad interfaccia grafica per la gestione dei sistemi di imaging Medipix1 e Medipix2. In
particolare, e' stata sviluppata una versione del sistema Medisoft 3 per la gestione
dell'interfaccia pMUROS.
Il nostro gruppo partecipa al test del chip Medipix2, versione migliorata rispetto al primo chip
Medipix1 in termini di risoluzione spaziale (dimensione cella: 55 µm, matrice: 256×256) e di
caratteristiche di discriminazione del segnale. Medipix2, inoltre, ammette la doppia polarita'
del segnale di carica in ingresso (elettroni o buche), il che permette il collegamento a rivelatori
CdTe e CdZnTe. Il gruppo di Napoli si occupa dello sviluppo del software per la lettura e
caratterizzazione del chip Medipix2, in ambiente LabWindows/CVI. Nel 2001 e' stata in gran
parte scritta la prima versione Medisoft 4.0 del software di gestione, contenente le funzioni di
test, calibrazione e acquisizione del nuovo sistema chip+rivelatore. E' iniziata una fase di
studio della microsaldatura al chip Medipix2 di rivelatori di CdZnTe spessi 1-2 mm e di CdTe
spessi 1 mm, la cui elevata efficienza di rivelazione per l'energia del tracciante 99mTc (Eg=140
keV) permetterebbe di realizzare una mini gamma-camera compatta (di dimensioni fino a
28x28 mm2) per applicazioni scintigrafiche in Medicina Nucleare.
211
Nel corso del 2002 il gruppo di Fisica Medica portera' a termine lo sviluppo del software
Medisoft 4 per la gestione del sistema di imaging Medipix2 con lettura sequenziale,
partecipando alle fasi di test presso il CERN di Ginevra e il NIKHEF di Amsterdam. E' inoltre
prevista la diffusione, presso alcuni centri di ricerca genetica, del sistema autoradiografico
BETAview basato sul chip Medipix1. Infine, sara' portato a termine uno studio sperimentale
sui collimatori di radiazione per imaging scintigrafico con tracciante Tc-99m, in combinazione
con sistema di imaging Medipix1 con rivelatori al silicio, quale studio di fattibilita' di una mini
gamma-camera per scintigrafia, che impieghera' rivelatori Cd(Zn)Te e read-out Medipix2.
2001 Activity
Our Medical Phisics group at this Dipartimento di Scienze Fisiche is participating to the international
collaborations Medipix1 and Medipix2 (CER, INFN and a number of Universities and Research Institutes in
Europe). These collaborations develop hybrid semiconductor radiation detectors (Si, GaAs, CdTe, CdZnTe) with
VLSI electronics for single photon counting imaging applications in biology and medicine and physics.
The hybrid detectors realised up to now have a structure of a square pixel matrix which are connected - via the
bump-bonding technique - to the read-out integrated circuit, having the same geometrical structure of its cells, as
the detector. The series of Medipix read-out circuits comprises Medipix1 and Medipix2. Medipix1 has 64x64
pixels, each 170 µm by side (pitch), SACMOS 1.0 µm tecnology. Medipix2 has 256x256 pixels, each 55 µm by
side, CMOS 0.25 µm technology. Each electronic cell contains a charge sensitive preamplifier, a discriminator
(with double threshold, for Medipix2) and a counter, witha minimum threshold equivalent to 6-8 keV (Si).
In the Laboratory of Medical Physics, using such an imaging system with Medipix1 technology, we have
performed autoradiographic studies with beta-emitting tracers used in biomedical applications (i.e., 32P, 14C, 35S).
The Si detector and its read-out electronics has been assembled in a system named BETAview, which has
permitted to carry out some biological experiments (DNA denaturation dynamics and dynamic studies of protein
uptake in egg cells). Moreover, we have realized a new electronic interface (pMUROS) for reading out the
Medipix1 chip. It is very compact and simplified, in order to test the feasibility of a future compact gammacamera with Medipix2 chip for planar lymphoscintigraphy, in sentinel lymph node radioguided surgery, and for
small field-of-view mammoscintigraphy. The test prototype system uses a Si detector bonded to Medipix1, and a
parallel hole collimator, for a high spatial resolution system imaging.
On behalf of all the Medipix collaboration, the Medical Physics group is being developing the Medisoft software
system, featuring a graphical interface for handling the image acquisition with either Medipix1 or Medipix2. A
specific version of the Medisoft 3 system (Medipix1 chip) has been developed for the pMUROS compact interface.
Our group participates to the test of the Medipix2 read-out chip, which represents an improved version of the
preceeding Medipix1 chip both in terms of spatial resolution (256x256 cells, 55 µm pitch) and for its possibility
of handling signals of either polarity (electrons or holes). This last feature allows the bump-bonding of CdTe or
CdZnTe detectors, for which electron collection is preferred over hole collection. Our group in Napoli is writing
the Medisoft software system for Medipix2 read-out in the LabWindows/CVI development system. In 2001 we
have almost completed the first version of the Medisoft 4.0 code, which contains functions for test, calibration
and data acquisition of the assembly chip+detector. In 2001 a preliminary study has been started, devoted to the
possibility of bump-bonding to Medipix2 CdTe detectors (1 mm thick) or CdZbTe detectors (1-2 mm thick). Both
have high detection efficiency for gamma energies of the radiotracer Tc-99m (Eg=140 keV), thus allowing to
realising a compact gamma camera for scintigraphic applications in Nuclear Medicine.
Program epected for 2002
During 2002 our Medical Physica group will conclude the development of the Medisoft 4 software system for the
handling of the imaging system based on Medipix2 chip, via serial read-out. This will imply also the participation
to test weeks both at CERN, Geneva, and at NIKHEF, Amsterdam. In addition, we will take care of the diffusion
of the BETAview autoradiographic system (Medipix1 chip) in some research centers on Genetics. Finally, we will
conclude an experimental study on the feasibility of a compact gamma camera for planar scintigraphy with Tc99m tracer, with suitable collimators and Medipix2 chip with Cd(Zn)Te detectors. This study employs Medipix1
chips connected to Silicon radiation detectors.
Pubblicazioni su riviste
1) Bertolucci E, Conti M, Mettivier G, Quattrocchi MG, Russo P, Cola A, Quaranta F, Vasanelli L, Bisogni
MG, Bottigli U, Fantacci ME. Investigation on semi-insulating GaAs detectors using laser induced current
pulses. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. A458, 164-168 (2001)
212
2) Abate L, Bertolucci E, Conti M, Montesi MC, Russo P. Noise and interpixel dead space studies of GaAs
pixellated detectors. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A458, 158-163 (2001)
3) Bertolucci E, Conti M, Mettivier G, Quattrocchi MG, Russo P, Cola A, Quaranta F, Vasanelli L, Bisogni
MG, Bottigli U, Fantacci ME. Investigation on semi-insulating GaAs detectors using laser induced current
pulses. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A458, 158-163 (2001).
4) Abate L, Bertolucci E, Conti M, Montesi MC, Russo P. Noise and interpixel dead space studies of GaAs
pixellated detectors. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A458 164-168 (2001).
5) Bertolucci E, Bisogni MG, Bottigli U, Cola A, Conti M, Fantacci ME, Maestro P, Mettivier G, Quaranta F,
Rosso V, Russo P, Stefanini A, Vasanelli L. Detection performance of SI GaAs detectors for nuclear
medicine. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A460, 123-126 (2001).
6) Abate L, Bertolucci E, Conti M, Mattivier G, Montesi C, Russo P. GaAs pixel arrays for beta imaging in
medicine and biology. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A460, 97-106 (2001).
7) Russo P, Campajola L, Carpentieri C, Bertolucci E. Response of Semi-insulating GaAs detectors to low
energy protons. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A466, 155-161 (2001).
8) Russo P, Quattrocchi M, Bertolucci E. Response of Semi-insulating GaAs detectors to near-infrared light
pulses. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A466, 105-114 (2001).
9) Russo P, Mettivier G. Characterization of 600-µm-thick Semi-insulating GaAs detectors for medical
imaging. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A466, 79-86 (2001).
Contributi si Libri Scientifici/Atti di Convegni a diffusione internazionale
1.
Bertolucci E., Calvet D., Maiorino M., Mettivier G., Montesi M.C., Russo P., Visschers J. L., Portable
system for imaging of α, β, and X-ray sources with silicon pixel detectors and Medipix1 read out. Presented
at Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, San Diego, CA, USA, 4-10 Novembre
2001.
2. Bertolucci E., Maiorino M, Mettivier G., Montesi M.C., Russo P., Medisoft 4: a Software procedure for the
Control of Medipix 2 readout Chip. Conference Record of the Nuclear Science Symposium and Medical
Imaging Conference, San Diego, CA, USA, 4-10 Novembre 2001.
3. Bertolucci E., Conti M., Di Cosmo A., Maiorino M, Mettivier G., Montesi M.C., Paolella G., Pecorella T.,
Russo P., Scognamiglio R., Real Time β-imaging with silicon hybrid pixel detectors: investigations into
amino acids uptake and genetics. Conference Record of the Nuclear Science Symposium and Medical
Imaging Conference, San Diego, CA, USA, 4-10 Novembre 2001.
E. Bertolucci, M.Maiorino, G.Mettivier, M.C.Montesi, P.Russo, Preliminary test of an imaging probe for nuclear
medicine using hybrid pixel detectors. Presentato al 3rd Int. Workshop on Radiation Imaging Detectors,
Orosei, Sardegna, Italy, 10-15 settembre 2001.
FISICA MEDICA
M. Autiero, I. Iaccarino, R. Liuzzi*, M. Quarto*, P. Riccio*, G. Roberti
Attività 2001:
Fotoattivazione di farmaci per l'utilizzo in Terapia Fotodinamica dei Tumori (PDT)
Sono stati studiati in vivo su pazienti gli effetti della Terapia Fotodinamica con
somministrazione topica di Acido
-AmminoLevulinico sulle verruche plantari.
L'irraggiamento con luce con spettro piccato a 630 nm e alla dose di 50 J/cm2 produce la
risoluzione del 75% dei casi trattati contro il solo 22% dei controlli.
Transilluminazione laser
Misure di transilluminazione su soluzioni acquose diffondenti e assorbenti di Intralipid e
inchiostro ci hanno permesso di determinare un nuovo e più affidabile valore del coefficiente
di scattering dell'Intralipid a 820 nm e una modifica alla legge di scala di questa grandezza al
variare della concentrazione di Intralipid nelle miscele acquose.
213
Fluorescenza di tessuti biologici "ex vivo" ed "in vivo"
E' stata studiata la radiazione di autofluorescenza emessa da tessuti murini sani e tumorali
attraverso misure nel dominio spettrale e temporale. Si è trovato che l'intensità di
autofluorescenza ed il tempo di decadimento di fluorescenza del tessuto patologico sono
indicatori diagnostici efficaci di patologie tumorali.
Simulazioni Monte Carlo del trasporto di fotoni in mezzi fortemente diffondenti
Per ridurre il tempo di calcolo estremamente elevato delle simulazioni MC è stato sviluppato
un programma Monte Carlo per il computer parallelo Cray T3E (128 DEC Alpha EV5 nodes,
600 Mflops) del CINECA. La struttura parallela del programma permette di ridurre di un
fattore 100 i tempi di esecuzione e quindi di rendere possibili simulazioni non realizzabili con
programmi a singolo processore.
Rivelazione di oggetti nascosti in mezzi fortemente scatteranti con misure di crosscorrelazione in seconda armonica
In collaborazione con il gruppo di fisica della materia operante presso l'Università
dell'Insubria (resp. Prof.ssa Andreoni) sono stati effettuati esperimenti di cross-correlazione in
seconda armonica al fine di rivelare oggetti immersi in mezzi altamente diffondenti. Si è
mostrato che questa tecnica permette di aumentare la rivelabilità degli oggetti all'interno del
mezzo.
Fotoattivazione di farmaci per l'utilizzo in Terapia Fotodinamica dei Tumori (PDT)
Si proseguirà lo studio degli effetti della fotoattivazione laser usando come fotoattivante
un'altra sostanza (ICG) su linee cellulari normali tumorali allo scopo di paragonare gli effetti
fotocitotossici di questo colorante con quelli già trovati per l'ipericina.
Transilluminazione laser
Si pensa di proseguire questo filone con misure di transilluminazione risolte in tempo e con
misure di conteggio di singolo fotone (in collaborazione col gruppo di fisica della materia
dell'Università dell'Insubria) di disomogeneità con dimensioni, coefficienti di scattering e di
assorbimento variabili in un vasto range per indagare le condizioni per la loro rivelabilità con
queste tecniche.
Fluorescenza di tessuti biologici "ex vivo" ed "in vivo"
Poiché l'applicazione topica di ALA produce su verruche un notevole effetto fotodinamico, ci
proponiamo di verificare, mediante indagine spettroscopica dei tessuti trattati, che tale
modalità di somministrazione porta alla effettiva produzione di PpIX, responsabile, a sua
volta, dell'effetto fotodinamico osservato. Ci proponiamo inoltre di misurare la profondità di
penetrazione di vari fotoattivanti in regioni patologiche umane (verruche, psoriasi) con
tecniche di fluorescenza.
Simulazioni del trasporto di fotoni in tessuti biologici con tecniche MC
Poichè il calcolatore parallelo Cray T3E è stato dismesso, si prevede prima di tutto la
migrazione del programma di calcolo parallelo da quest'ultimo calcolatore al Linux Cluster
BEOWULF. Saranno confrontate le prestazioni dei due sistemi sia in termini di velocità di
esecuzione che di efficienza di convergenza del metodo valutata come numero di fotoni da
lanciare per ottenere la stabilità statistica desiderata. Successivamente saranno implementate
214
modifiche al programma necessarie per simulare misure di conteggi di singolo fotone con
elevata risoluzione angolare e temporale.
Rivelazione di oggetti nascosti in mezzi fortemente scatteranti con misure di crosscorrelazione in seconda armonica
Dopo aver caratterizzato l'impulso laser prodotto dal Active-Passive Mode-Locking Nd:YAG
laser SYLP-02 (Quanta System, I) dal punto di vista spaziale e temporale, saranno effettuate
misure di cross-correlazione del campo trasmesso con una frazione di quello incidente in un
cristallo di -borato di bario. Queste misure saranno utilizzate, insieme a quelle effettuate dal
gruppo dell'Università dell'Insubria, per testare il modello teorico sviluppato da questo stesso
gruppo per interpretare i risultati sperimentali ottenuti.
Realizzazione di un prototipo per imaging ottico e con radionuclidi in piccoli animali
Intendiamo partecipare alla realizzazione di un prototipo per imaging multimodale (sia con
radiazione ottica che da radionuclidi) planare in vivo. In particolare ci interesseremo alla
rivelazione mediante fluorescenza in vivo indotta da laser. Il sistema di eccitazione e di
rivelazione della fluorescenza comprende un laser ad azoto ed un laser a colorante accordato
alla lunghezza d'onda di 410 nm per eccitare la fluorescenza del derivato ematoporfirinico
somministrato alla cavia, una telecamera a CCD che opera in maniera sincrona col laser ed un
sistema di analisi d'immagini. Le immagini della regione tumorale vengono acquisite usando
due differenti filtri a banda larga e la sottrazione digitale tra le due immagini così ottenute
aumenta il contrasto del tumore rispetto al fondo rendendolo così rivelabile.
Fabbrocini G., M. P. Di Costanzo, A. M. Riccardo, M. Quarto, A. Colasanti, G Roberti, G. Monfrecola: 2001,
Photodinamic therapy with topical d-aminolevulinic acid for the treatment of plantar warts, J. Photochem.
Photobiol. B: Biology, 61, 30-34.
2001 Activity
Drug photoactivation for Photodynamic Therapy of Tumors (PDT)
The effects of PDT were studied in vivo on patients through the topic administration of -AmminoLevulinic
Acid (ALA) on plantar warts. The irradiation with light with spectrum peaked at 630 nm produces the
resolution of the 75% of the treated cases against the 22% only of controls.
Laser transillumination
Transillumination measurements on water solutions of Intralipid and Ink allow us to determine a new and
more reliable value of the scattering coefficient of Intralipid at 820 nm and a modification of the scaling law of
this quantity with its concentration in Intralipid water solutions.
"Ex vivo" and "in vivo" fluorescence of biological tissues
Autofluorescence radiation emitted by healthy and tumor mouse tissues was studied through measurements in
the spectral and time domain. It was found that the intensity and the decay time of the autofluorescence are
effective indicators of tumor pathologies.
Monte Carlo (MC) simulations of photon transport in highly scattering media
To decrease the very high computation time of MC simulations it was developed a MC parallel code running
on the parallel Computer T3E (128 DEC Alpha EV5 nodes, 600 Mflops) of CINECA. The parallel structure
allows us to decrease by a factor 100 the computation times and, hence, to make feasible simulations up to now
impossible with single processor codes.
215
Detection of objects hidden in highly scattering media with SH cross-correlation measurements
In cooperation with the Physics of the matter group working at Insubria University (resp. Prof. Andreoni)
Second Harmonic cross-correlation experiments to detect objects hidden in highly scattering media. It was
shown that this technique increases the detectability of the objects inside the medium.
Drug photoactivation for Photodynamic Therapy of Tumors (PDT)
The study of the effects of the photoactivation will be carried on by using another photoactivating agent on
normal and tumor cell lines to compare the photocytotoxic effects of this compound with those we have yet
found for Hypericin.
Laser transillumination
In this field of research we will perform time resolved transillumination and single photon counting (in
cooperation with the above mentioned group of the University of Insubria) measurements of inhomogeneities
with dimension, scattering and absorption coefficient variable in a large range to investigate the conditions of
their detectability by means of these techniques.
"Ex vivo" and "in vivo" fluorescence of biological tissues
Since topical administration of ALA produces a strong photodynamic effect, we aim at verifying, by means of
in vivo fluorescence spectroscopy of the treated tissues, that this type of administration leads to the real
endogenous production of PpIX, in turn responsible of the observed photodynamic effect. In addition we aim at
determining the penetration depth of various photoactivating agents in pathological human regions (warts,
psoriasis) with fluorescence techniques.
Monte Carlo (MC) simulations of photon transport in highly scattering media
Since the parallel computer Cray T3E was dismantled, we have to perform the migration of our parallel
computer code for photon transport in highly scattering media to the Linux Cluster BEOWULF. The
performances of the two systems will be compared both in terms of velocity of execution and in terms of
convergence efficiency of the code evaluated as the number of the photons to be launched to obtain the desired
statistical stability. Then, the code modifications to make possible simulations with very high angle and time
resolution of the transmittance of the sample will be implemented.
Detection of objects hidden in highly scattering media with SH cross-correlation measurements
After the temporal and spatial characterization of the laser pulse emitted by the Active-Passive Mode-Locking
Nd:YAG laser SYLP-02 (Quanta System, Italy), measurements of the transmitted field with a fraction of the
incident one in a crystal of -borate of barium will be performed.
These measurements, together with those obtained by the group of Insubria University, will be used to test the
theoretical model developed by this last group to explain the obtained experimental results.
Realization of a prototype for optical and radionuclide imaging of little animals
We will participate to the realization of a prototype of a system for planar imaging of little animals in vivo
(both with optical radiation and radionuclides). In particular we are involved in the detection system by means
in vivo laser induced fluorescence. Fluorescence excitation and detection includes a N2 laser and a dye laser
tuned at 410 nm to excite the fluorescence of the hematoporphyrin derivative administered to the laboratory
animal, a CCD camera operating synchronously with the laser and an image acquisition and analysis system.
The images of a tumor region are acquired by using two different broad band filters and the digital
background subtraction between the two filtered images enhances the contrast of the tumor with respect to the
background and make it detectable.
216
MICROELETTRONICA
SVILUPPO DI RETI OTTICHE AD ALTA VELOCITA’
PER SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI
A. Aloisio*, F. Cevenini
Attività 2001
Il progetto di link ottico parallelo, basato sul chip-set PAROLI della Infineon, ha richiesto lo
sviluppo di una logica di protocollo inizialmente realizzata con FPGA Xilinx a memoria
volatile.
L'impiego del link in architetture di acquisizione dati in ambienti esposti a radiazioni
ionizzanti ha posto il problema di individuare ed adottare una tecnologia "rad tolerant" per la
logica di protocollo dei dispositivi ottici.
Il progetto delle FPGA di gestione dei protocolli di trasmissione e di ricezione, con controllo
di integrità dei dati del link ottico è stato trasferito su dispositivi ACTEL con
programmazione irreversibile, che presentano rispetto alle Xilinx una maggiore resistenza alle
radiazioni ionizzanti.
La struttura completamente diversa dei dispositivi ha richiesto una completa ristrutturazione
della logica, che garantisce comunque una completa compatibilità con le precdenti versioni
del link.
E' stato avviato un nuovo programma di ricerca che si propone di applicare la tecnologia
DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) nel settore dell'acquisizione dati in fisica
sperimentale. Le prime applicazioni pratiche di wavelength multiplexing in trasmissioni su
fibra ottica risalgono ai primi anni ottanta, impiegando solo due frequenze (850 e 1310 nm).
In meno di dieci anni, la tecnologia dei laser a stato solido e dei mux/demux ottici permetteva
di gestire alcune decine di canali con spaziatura di alcune centinaia di GHz. In alcune
applicazioni telecom, si giunge oggi ad ottenere spaziature di 25 GHz con un numero di canali
superiore a 160.
L'interesse verso queste tecnologie e gli sviluppi nel settore della componentistica optoelettronica sono stati trainati dalle applicazioni nelle telecomunicazioni. I fattori di forma, la
potenza dissipata, la complessita' della gestione e, non ultimo, i costi di queste architetture
venivano giustificati dall'aumento del traffico dati su reti preesistenti. La tecnologia DWDM
e' ora sufficientemente matura da poter essere offerta all'utente finale sotto forma di sistemi
integrati, in cui la parte ottica non richiede una gestione specializzata. Questi chip-set
permettono di aprire un nuovo orizzonte di applicazioni "non ortodosse" rispetto al recente
passato. Una di queste sara' sicuramente la trasmissione dati in esperimenti di fisica
fondamentale.
Il programma si articola su tre anni e per il 2002 è prevista una fase di caratterizzazione del
transceiver DWDM CA16 della Agere. Questo dispositivo è in grado di gestire un link "full
duplex" trasferendo su di un'unica fibra ottica parole dati di sedici bit a 155,52 MHz.
Le successive fasi del programma prevedono lo sviluppo di una rete DWDM con l'impiego di
multiplexer ottici.
217
2001 Activity
For the parallel optical link based on the INFINEON's PAROLI chip-set we have designed a network protocol
controller using XILINX FPGAs.
In order to improve the radiation hardness of the system allowing its use in hostile environments such as LHC
experiments, we migrated the TX and RX protocol logic of the parallel optical link, to ACTEL anti-fused FPGA.
This version of the link is backward compatible with the previous releases and can be freely mixed with the
Xilinx-based versions.
We have started a new research and development program to apply the DWDM (Dense wavelength division
multiplexing) to DAQ systems for physics experiment. In the last few years, the interest in this technology was
driven mainly by the telecom market. New devices are now available with compact form factor and reduced
power consumption, with the optical section and the control logic embedded in the same package. These
transponders allow implementing a DWDM network in unorthodox environments as DAQ systems for physics
experiments.
The program spans across three years and for 2002 is foreseen the characterization of the AGERE's CA16
DWDM transponder. This device handles a full-duplex link moving 16-bit data words at a 155.52 MHz on a
single fiber. As a next step, in the 2003 and 2004 we will evaluate a DWDM network by using optical mux and
demux.
Presentazioni a congressi
A.Aloisio, F.Cevenini, M. Severi: "A parallel optical link architecture using FPGAs" Proceedings of the 12th
IEEE Conference on Real Time Computer Application in Nuclear Particle and Plasma Physics, Valencia
(Spain), June 2001, pag. 73.
218
ONDE ELETTROMAGNETICHE
MONITORAGGIO AMBIENTALE DI CAMPI ELETTROMAGNETICI
F. Carbonara, M.R. Masullo, V.G. Vaccaro
Le motivazioni generali per portare avanti questa ricerca nel nostro Dipartimento, già espresse
in precedenza, sono state rafforzate dai lusinghieri risultati ottenuti in questo secondo anno di
attività. Il monitoraggio ambientale è una prestazione professionale che può realmente essere
richiesta al nostro Dipartimento, che esso può realmente fare, e che sarà fornita nei limiti delle
forze disponibili.
L'attrezzatura acquistata fin'ora, quest'anno ci ha permesso di stipulare e di concludere una
convenzione tra il Dipartimento ed il Comune di Torre del Greco per il monitoraggio del
territorio comunale riguardo alle emissioni di radioonde di frequenza TV e di telefonia
mobile. Il lavoro, svolto nell'arco di sei mesi dai componenti il gruppo, è andato a buon fine,
con soddisfazione di entrambe i contraenti. Inoltre esso è servito come training per la parte
applicativa di un lavoro di tesi di laurea, felicemente conclusasi, sull'argomento presso la
Facoltà di ingegneria.
E’ evidente che le misure di monitoraggio non esauriscono il campo di collaborazione delle
istituzioni scientifiche con le autorità preposte alla disciplina delle emissioni
elettromagnetiche. Un aspetto importante è quello della previsione che l’impatto di nuove
emittenti può avere sui valori globali dei parametri. Un altro è quello della “riduzione a
conformità”, cioè del “risanamento” di siti con valori dei campi che sforano i limiti superiori
di legge, seguendo un criterio equo, dopo aver individuato le varie emittenti e le relative
intensità.
Il primo problema è già stato affrontato nella citata tesi di laurea, e sarà proseguito nel
prossimo anno di attività, con messa a punto di software che, utilizzando i parametri
costruttivi delle possibili installazioni e considerando la conformazione fisica del territorio,
calcola in maniera veloce ed a tutti accessibile (Visual basic) il campo globale previsto. Linea
di sviluppo questa molto proficua e richiesta, che può fornire il livello zero di conoscenza in
fase di programmazione territoriale.
Il secondo aspetto, quello delle misure necessarie per la riduzione a conformità, richiede
invece strumentazione dedicata, dovendosi identificare le singole sorgenti, mediante la
direzione di provenienza dell’onda, la frequenza, la polarizzazione, e misurarne l’intensità.
Il mercato comincia ora ad attrezzarsi per questo tipo di misure, nei casi estremi piuttosto
costose ed impegnative. Essenzialmente servono un’antenna a larga banda omnidirezionale,
un set di antenne a banda stretta e direzionali, un analizzatore di spettro ed un sistema di
movimentazione remota e di trasmissione per fibra ottica. Il tutto portatile.
Speriamo di poterci attrezzare al riguardo onde ampliare nel prossimo futuro il nostro campo
di competenza del monitoraggio.
Il rispetto delle attuali leggi, e quindi il monitoraggio ambientale di previsione ed ex post,
sono solo un aspetto di questa tematica, il cui aspetto scientifico più interessante è alla fine il
comprendere i meccanismi di interazione delle radiazioni non ionizzanti (NIR) con la materia
vivente, o per lo meno nell’asserire gli eventuali danneggiamenti riscontrati con modelli
credibili e con riproducibili esperienze di laboratorio. Abbiamo già fatto dei passi, perché
presso questo Dipartimento nasca un laboratorio dedicato, in collaborazione con i gruppi di
biofisica, per lo studio in vitro degli effetti delle NIR.
219
220
STRUTTURA DELLA MATERIA
(Responsabile: Prof. Enrico Santamato)
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222
FISICA ATOMICA E MOLECOLARE, OTTICA E SPETTROSCOPIA
DISPOSITIVI A CRISTALLI LIQUIDI PER OTTICA INTEGRATA
G.Abbate, A. Marino, P.Tierno, E.Santamato
Attività 2001
Le applicazioni ottiche dei Cristalli Liquidi (CL) sono ben note da tempo. Dall’inizio degli
anni 90, la possibilità di controllare e ridurre drasticamente le perdite per diffusione, di
realizzare dispositivi con tempi di risposta sufficientemente rapidi (< 1 ms), ha dato nuovo
impulso alla ricerca sui dispositivi basati sui Cristalli Liquidi (CL) per applicazioni nel campo
dell’Ottica Integrata.
L’attività di ricerca sia sperimentale che teorica su dispositivi a cristalli liquidi per ottica
integrata è stata condotta in collaborazione con alcuni ricercatori del CNR dell’area di ricerca
di Napoli, con il gruppo del dr. G.C. Righini dell’IROE del CNR di Firenze, con il Prof. M.
Warenghem dell’Università di Lens (Francia), con il Prof. D. S. Hermann dell’Università
Chalmers a Goteborg (Svezia) e con il Prof. J. Otòn dell'Università Politecnica di Madrid.
Tale attività si basa su finanziamenti del MIUR (PRIN), dell’INFM e dalla Commissione
Europea.
Nel corso del 2001 è stato attivo un Progetto di Ricerca di Interesse Nazionale (PRIN) del
MIUR dal titolo Dispositivi basati su nuovi materiali e composti a cristalli liquidi per
l'instradamento di segnali ottici in reti di comunicazione, coordinato da G. Abbate. In questo
ambito sono stati svolti i seguenti studi:
1. Progetto di un reticolo di Bragg in guida d’onda con cover di cristallo liquido.
Realizzazione del reticolo. Simulazioni numeriche di dispositivi basati su esso:
interruttore ottico e filtro accordabile.
2. Progetto e realizzazione di guide passive polimeriche, loro caratterizzazione ottica,
integrazione con cristalli liquidi ferroelettrici, caratterizzazione elettro-ottica dei
dispositivi integrati realizzati.
3. Messa a punto di un banco per caratterizzazioni ottica nella banda C delle
telecomunicazioni (1550 nm).
4. Realizzazione, studio della morfologia, caratterizzazione termo-ottica di campioni di
Polymer Dispersed Liquid Crystals (PDLC) drogati con coloranti organici e metalloorganici.
Programma 2002
È stata presentata una proposta di PRIN 2002 dal titolo Dispositivi opto-elettronici per
telecomunicazioni basati su nuovi materiali organici e liquido-cristallini (coordinatore G.
Abbate), che comprende, oltre all’unità di Napoli, unità presso l’Università di Ancona (Prof.
F. Simoni e Prof. A. Morini), presso l’università La Sapienza di Roma (Prof. A.
d’Alessandro) e presso l’Università della Calabria (prof. C. Umeton).
Le nostre attività nel prossimo anno saranno principalmente dedicate alla realizzazione del
progetto PRIN2002, se approvato. Le attività previste comprendono:
Realizzazione di guide passive polimeriche su progetto dell’unità di Roma, in geometrie
concordate con le unità di Ancona e Cosenza, per la realizzazione di commutatori ottici e filtri
di Bragg realizzati con materiali nano-PDLC e Policryps (Polymer-Liquid Crystal-Polymer
layers). I materiali attivi sono realizzati da Ancona e Cosenza che li integreranno nelle guide
polimeriche fornite da noi.
223
Realizzazione di un filtro di Bragg accordabile nella banda C telecom.
In collaborazione con l’istituto di Polimeri dell’Università di Ulm in Germania si svolgerà
uno studio per la realizzazione di materiali compositi formati da una matrice polimerica e
nanosfere di cristallo liquido disposte secondo un reticolo regolare. Sia il diametro delle
nanosfere che il passo del reticolo può essere variato, a seconda dei parametri di
fabbricazione, dalle decine di nanometri a pochi micrometri.
G. Abbate partecipa inoltre, come responsabile scientifico del Dipartimento di Scienze
Fisiche, all’organizzazione di un centro di competenza della Regione Campania sulle
tecnologie avanzate, che prevede il coinvolgimento di molti Dipartimenti della Federico II e
molti gruppi di ricerca del nostro dipartimento.
A better understanding of the physical phenomena underlying the observed effects, the use of new materials with
improved performances, the discovery of new electro-optical and nonlinear optical effects render the
applications of LC in integrated optics more and more attractive. The research activity of our group in the field
of liquid crystal based integrated optics covers both theoretical and experimental aspects. It has been performed
in collaboration with the following groups : 1) CNR Labs of Naples area (Dr. Mormile, Dr. Rendina, Dr.
Malinconico); 2) Dr. G.C. Righini group of IROE - CNR - Florence , 3) Prof. M. Warenghem group at the
University of Artois (France), 4) Prof. D. S. Hermann group at Chalmers University of Technology, Goteborg
(Sweden), 5) Prof. J. Otòn at the Universidad Politecnica de Madrid. This activity is funded by MIUR (PRIN),
INFM and the European Commission.
During the year 2001 was active the National Research Project (PRIN2000) on Devices for routing in optical
networks using new liquid crystals materials and composites (scientific co-ordinator:G. Abbate). In this frame
we performed the following activities:
1. Realization, morphological and thermo-optical characterization of Polymer Dispersed Liquid Crystals
(PDLC) films doped with organic dyes and with metallo-mesogens.
2. Design of a Bragg grating in a planar waveguide with a liquid crystal cover. Realization of the grating.
Numerical simulations of optical devices based on it: optical switch, and tuneable filter.
3. Design and realization of passive waveguides with novel polymeric materials. Their optical characterization
and integration with ferroelectric liquid crystals as active materials.Electro-optical characterization of the
realized devices.
4. Set up of an optical bench for material and device characterization in the telecom C band (1550 nm).
2002 Program
A new proposal for a PRIN 2002 has been recently submitted with the title: Opto-electronic devices for telecom
applications based on soft materials (coordinated by G. Abbate). This project will involve additionally research
groups at the Ancona University (Prof. F. Simoni and Prof. A. Morini), at the Rome La Sapienza University
(Prof. A. d’Alessandro), and at Calabria University (Prof. C. Umeton). Our future work will be mainly dedicated
to the realization of this project, if approved. Its activity includes:
a. Realization of custom polymeric passive waveguide designed by Rome group, and in collaboration with
Ancona and Cosenza groups that will develop the active materials, nano-PDLC and Policryps (Polymerliquid crystal-polymer layers), and integrated them into the polymeric waveguides.
b. Realization of a tunable Bragg grating filter in the telecom C band.
c. In collaboration with the Polymer Institute of the Ulm University (Germany) we shall perform a study on the
fabrication of composite materials formed by a polymer matrix and liquid crystal nano-spheres embedded in
a regular 2-D lattice. Both the nano-spheres diameter and the lattice period can be varied from tens of
nanometers to few micrometers.
d. G. Abbate is involved as scientific responsible for the Department of Physical Sciences in the organization
of a Centre of Competence on Advanced Technologies, which will be established by the Campania Regional
Government. Many Departments of our University and many groups of our Department will be involved in
this Centre.
224
Pubblicazioni 2001
1. L. Petti, P. Mormile, G.C. Righini, L.Sirleto, G. Abbate, "Fast electro-optical switch based on a nematic
liquid crystal waveguide", Mol. Cryst and Liq. Cryst.. 360, 131 (2001)
2. G. Scalia, D. S. Hermann, C. Pitois, F. De Marco, G. Abbate, K. D’havé, M. Lindgren, A. Hult, "Novel
Passive Polymer Waveguides Integrated with Electro-Optically Active Ferroelectric Liquid Crystals", Opt.
Eng., 40, 2188 (2001)
Convegni e mostre organizzati dalla struttura
1.
2.
IX International Conference on Optics of Liquid Crystals OLC2001, Sorrento (Italy) October 1st- 6th 2001,
organizzato dal Dipartimento di Scienze Fisiche, chairman G. Abbate.
1st Tutorial Course on Basics and Applications of Liquid Crystals, organizzato dal Dipartimento di Scienze
Fisiche, direttori G. Abbate, Markus Kreuzer e Marc Warenghem.
Conferenze Internazionali
1. G.Abbate, “A tunable Bragg grating filter in a planar waveguide with a liquid crystal over-layer”, SPIE's 46th
Annual Symposium on Optical Science and Technology, Liquid Crystals V, 29 July - 3 August 2001, San
Diego, California USA, invited talk.
2. G.Abbate, “Liquid crystals devices for optical communications”, NOMA'01 (Novel Optical Materials and
Applications), Cetraro - Italy, 20-25 May 2001 , invited talk.
3. L. Petti, G. Abbate, W. Blau , D. Mancarella, P. Mormile, “Enhancement of the thermo-optical properties in
dye-dopped PDLCs”, Optics of Liquid Crystals, OLC2001, 1-6 October 2001, Sorrento Italy.
4. D.S. Hermann, G. Scalia, C. Pitois, F. De Marco, G.Abbate “FLC Photonic Switching: Some Device
Examples and Materials Considerations”, Optics of Liquid Crystals, OLC2001, 1-6 October 2001, Sorrento
Italy, invited talk.
Conferenze nazionali:
G.Abbate “Spatial solitons in liquid crystals”, INFMeeting, Roma 18-22 giugno 2001
Direzione di progetti scientifici di interesse nazionale o internazionale
-
G. Abbate è il co-ordinatore scientifico del PRIN2000 Dispositivi basati su nuovi materiali e composti a
cristalli liquidi per l'instradamento di segnali ottici in reti di comunicazione
G. Abbate è co-ordinatore locale (per Napoli) del network europeo INCO-Copernicus Liquid Crystal
composites for photonic applications (PHOTOCOM).
Partecipazione a consigli scientifici o direttivi di rilevanti istituzioni nazionali
−
−
−
−
−
G.Abbate è membro del Consiglio Direttivo della Società Italiana Cristalli Liquidi
G.Abbate è membro del Board of Directors della International Liquid Crystal Society
G.Abbate è delegato nazionale italiano nel Comitato Tecnico Fisica del Programma Europeo COST
G.Abbate è membro dell'International Advisory Board della conferenza periodica Optics of Liquid Crystals
OLC
G.Abbate è il responsabile scientifico per il Dipartimento di Scienze Fisiche del Centro di Competenza della
Regione Campania su “Nuove tecnologie per le attività produttive”
225
OTTICA APPLICATA
F.Bloisi, L.Vicari
Attività 2001
L’attività di ricerca condotta presso il Laboratorio di Ottica Applicata (LOA) riguarda lo
studio di fenomeni ottici e la caratterizzazione ottica di sistemi disordinati (cristalli
liquidi/PDLC; microemulsioni e miscele binarie, ecc.).
Mediante tecniche ottiche nonlineari abbiamo rilevato, in una microemulsione WAD
(water/AOT/decane) prossima alla percolazione, un coefficiente di non linearità dello stesso
ordine di grandezza di quello che altri autori avevano osservato in prossimità di punti critici.
L’evoluzione dinamica di tale nonlinearità ottica è stata esaminata sperimentalmente tramite
“self-phase modulation”. I valori delle costanti di tempo permettono di ricavare informazioni
sulla forma dei clusters che si formano nella microemuslione.
Tra le altre attività di ottica applicata svolte dal gruppo viene assumendo sempre maggiore
rilevanza l’indagine su beni culturali indirizzata da un lato alla caratterizzazione dei materiali
costituenti e dall’altro all’analisi morfometrica. Infatti, in numerose applicazioni, che vanno
dal controllo di produzione di manufatti industriali all’esame di opere d’arte per un successivo
intervento di recupero o di restauro, è necessario poter disporre sia di una conoscenza dei
materiali (substrato ed eventuali pigmenti, ma anche materiali estranei) che di una mappatura
tridimensionale degli oggetti in esame.
Programma 2002
Nel 2002 prevediamo di proseguire l’attività di ricerca sulla caratterizzazione ottica di sistemi
disordinati (cristalli liquidi, microemulsioni, vetri , polimeri, etc.).
Il gruppo ha di recente volto gli interessi di ricerca verso una nuova attività relativa alle
applicazioni di tecniche ottiche di indagine non distruttiva e di interventi non invasivi,
nell’ambito dei beni di interesse storico/artistico/culturale. Tale attività si articolerà in due
temi:
- lo studio dell’uso del laser per interventi di “laser cleaning” e contemporanea analisi dei
prodotti rimossi tramite “breakdown spectroscopy”
- l’applicazione di indagini morfometriche in “luce strutturata” nel vicino IR volte ad
analizzare reperti di interesse archeologico.
The research activity carried out at the Applied Optics Laboratory (LOA: Laboratorio di Ottica Applicata)
concerns the optical study and characterisation of disordered systems (liquid crystals / PDLC; microemulsions
and binary mixtures, etc.).
Studying a WAD (water/AOT/decane) microemulsion near percolation by means of nonlinear optical techniques
we have observed a nonlinear coefficient of the same order of magnitude of the coefficient observed by other
Authors near critical points. The time evolution of such nonlinear effect has been experimentally examined by
means of the self-phase modulation technique. Time constant values allow to get suggestions on the shape of
microemulsion clusters.
Within other applied optics activities of our group an important role is played by analisys of artefacts of cultural
interest devoted to component material characterization and to morphometric analysis. In several application,
from testing of industrial products to artefact analisys for conservation and restoration purposes, it is necessary
to obtain both informations on materials (substrate and pigments, but also pollutants) and a three-dimensional
map of the object.
226
2002 Program
In 2002 we plan to continue our research activity concerning the optical characterization of disordered systems
(liquid crystals, microemulsions, glasses, polymers, etc.).
Our group has recently started a new research activity concerning optical techniques for non destructive testing
and analysis applied to materials of relevant historical/cultural interest. Such activity will develop two main
lines
- laser cleaning and simultaneous analysis of removed materials by means of “breakdown spectroscopy”
- IR-structured light analysis of archeological findings.
Pubblicazioni 2001
-
L.Vicari. Optical nonlinearity in a thin film of water in oil microemulsion. Optical Materials 18, 155-157
(2001)
L.Vicari. Dynamics of optical nonlinearity in water-in-oil microemulsion. Jpn. J. Appl. Phys. 40, 662-665
(2001)
-
Conferenze internazionali 2001
-
L. VicariI: Pump Probe Characterization of Water in Oil Microemulsion. Gordon Research Conference:
Material Processes far from equilibrium. Meriden (NH)
L.Vicari. Optical nonlinearity of a film of water in oil microemulsion. 8th international workshop on
disordered systems - Andalo, March 12-25, 2001
-
Conferenze nazionali 2001
- F. Bloisi, C. Piccioli, G. Vecchio, L.Vicari. Fluence and repetition rate role in laser cleaning of ancient wall
paintings. VIII giornata “Le scienze della Terra e l’Archeometria” - Roma, 22-24 febbraio 2001
Direzione di progetti scientifici di interesse nazionale
−
PRIN 2000 - Ottica nonlineare in area di dinamica lenta di microemulsioni dense prossime alla percolazione
nell’ambito del progetto “Connettività e dinamiche lente in sistemi complessi”
TECNICHE SPETTROSCOPICHE ED APPLICAZIONI ALLA BIOMEDICINA
L. Bottalico, I. Delfino*, R. Esposito*, M.D. Falco*, P.L. Indovina, A. Lauria*, M. Lepore*, R. Romano*, G.
Urso*, F. Vigilante*
Attività 2001
- Spettroscopia laser risolta temporalmente
L’attività di ricerca nel campo dell’ottica biomedica con particolare attenzione all’uso della
transilluminazione laser risolta temporalmente (TRT) ha riguardato (a) l’utilizzo di tali
tecniche per lo studio di proprietà ottiche di campioni biologici e di fantocci che ne simulino
le proprietà ottiche; (b) l’analisi dei vari algoritmi utilizzati per la realizzazione delle
immagini con le relative descrizioni teoriche; (c) lo studio della qualità delle immagini
ottenibili con tecniche di optical imaging. In particolare, è proseguito lo studio sui limiti di
applicabilità dell’approccio perturbativo al primo ordine dell’equazione di diffusione con
confronti con simulazioni Monte Carlo e dati sperimentali. Sono proseguite le collaborazioni
scientifiche avviate con l’University College di Londra ed il National Institute of Health di
Bethesda.
- Spettroscopia NMR
Nel corso dell’attività di ricerca, è continuato lo studio dell’interazione tra cellule con agenti
227
chimici, fisici e biologici. In particolare si è continuato lo studio del problema della MultiDrug Resistance (MDR), cioè di quel fenomeno per cui le cellule tumorali diventano meno
sensibili non solo a farmaci anti-neoplastici utilizzati singolarmente e in associazione, ma
anche a tutta una varietà di diversi composti citotossici. Lo studio è stato condotto utilizzando
quale tecnica spettroscopica principale la risonanza magnetica nucleare ad alta risoluzione. In
particolare, si sono ottenuti spettri relativi alla linee cellulari MCF-7 (un carcinoma
mammario umano) e LoVo (un adenocarcinoma umano del colon) dei due tipi sensibili e
resistenti. Il confronto quantitativo degli spettri produce informazioni sulle differenze tra
cellule sensibili e resistenti, informazioni utili ad una migliore comprensione dell’MDR. Per
un corretto confronto quantitativo si è esteso l’utilizzo di algoritmi di normalizzazione a
nuove situazioni sperimentali. Inoltre, si è effettuata una estensione dell’algoritmo che
permette l’analisi sia in campioni che presentano tre o quattro segnali significativi sia in
campioni con più di dieci segnali. Nell’arco dell’anno è anche iniziata un’ attività di ricerca
mirata allo studio degli effetti sugli spettri NMR delle cellule di radiazioni ionizzanti e non.
Questi studi sono stati effettuati non soltanto su linee cellulari ma anche su aggregati di
cellule (sferoidi) che simulano “in vitro” piccole masse tumorali. Le misure sono state anche
effettuate presso la nuova “facility” di NMR messa a disposizione, anche con il contributo
dell’INFM, presso l’Università Tor Vergata di Roma. Questa attività è stata svolta in
collaborazione con l'Istituto CNR di Pozzuoli e l'Istituto Superiore di Sanità.
Programma 2002
- Spettroscopia laser risolta temporalmente
Si intende proseguire l’attività di ricerca lungo le linee già indicate e riguardanti in particolare
lo studio dei limiti e delle possibilità delle tecniche spettroscopiche risolte temporalmente per
l’analisi delle proprietà ottiche dei campioni fantoccio e di reperti biologici in collaborazione
con alcuni clinici. Per quanto concerne la ricerca rivolta alla ricostruzione dell’immagine, è in
programma il completamento degli studi già avviati circa la valutazione della risoluzione
spaziale e dell’ottimizzazione degli algoritmi di ricostruzione di immagini bidimensionali. Si
intende, anche, condurre un confronto tra le caratteristiche di qualità delle immagini ottenibili
con rivelatori time-resolved che operino su scale temporali diverse (streak camera e photon
counting). Lo studio delle proprietà di fluorescenza risolta temporalmente verrà portato avanti
ponendo particolare attenzione alla messa a punto dell’apparato sperimentale ed allo studio di
campioni che simulino il comportamento di tessuti. Verranno, anche, avviate misure su
sistemi cellulari utilizzando sia tecniche di tipo stazionario che risolte temporalmente.
- Spettroscopia NMR
La maggiore precisione dell’analisi nel dominio del tempo richiede la messa a punto di nuovi
metodi quantitativi operanti in detto dominio. Lo studio sulla MDR sarà continuato con
particolare attenzione al ruolo degli sferoidi tumorali. Nell’arco dell’anno verrà avviata una
collaborazione con il National Institute di Bethesda al fine di progettare nuove sequenze che
permettano di aumentare la sensibilità degli spettrometri NMR sia per attività “in vivo” che “
in vitro”. Verrà, inoltre, messa a punto una metodologia che permette di ottenere immagini
tridimensionali di distretti corporei di pazienti con NMR utilizzando simultaneamente tre
bobine.
- Time-Resolved Laser Spectroscopy
The research activity in Biomedical Optics has concerned (a) the use of time-resolved laser transmittance for
determining optical properties of biological samples and phantoms; (b) the analysis of different algorithms for
228
image reconstruction and related theoretical models, (c) the experimental investigation on image quality in
optical imaging. The limits of applicability of first order perturbative approach to diffusion equation have been
investigated with comparisons to Monte Carlo simulations and experimental data. We are still working in
collaboration with the University College of London and the National Institute of Bethesda.
- NMR Spectroscopy
Investigations on cellular Multi-Drug Resistance by NMR have been performed in order to study the difference
between sensible and resistence cells (MCF-7 and LoVo). A new time domain normalization algorithm to
quantify this investigation has been developed and applied to different in vitro experimental situations.
2002 Program
- Time-Resolved Laser Spectroscopy
The research activity will be carried on about the different topics already indicated. In particular, the limits and
possibility to use time-resolved techniques in investigating optical properties of biological samples will be
carried on in collaboration with some clinicians. As far as concerns image reconstruction, particular attention
will be devoted to complete the investigation on spatial resolution A comparison among different time-resolved
detectors working on different time ranges will be carried on. The investigation on time-resolved fluorescence
will especially concerns the optimisation of experimental set-up and the study of samples simulating biological
tissues. Some measurements on cells will be carried on with steady-state and time-resolved techniques.
- NMR Spectroscopy
The new time domain algorithm will be further improved to be applied in "in vivo" experimental conditions, and
in order to take in account differences in resolution in different experiments. A new time domain frequency
selective algorithm will be developed in order to better quantify NMR spectra. These new quantitative methods
will be applied to the study of spheroids, a tumoral model constituted by an aggregate of neoplastic cells.
Pubblicazioni 2001
1. A.Chernomordik, A.Gandjbackche, M.Lepore, R. Esposito, I.Delfino “Depth dependence of the analytical
expression for the width of the point spread function (spatial resolution) in time resolved transillumination“,
Journal of Biomedical Optics, 6 , 441-445 (2001)
2. M.Lepore, G.Urso, R.Esposito, L.Bottalico, M.Esposito, M.D.Falco, I.Delfino, P.L.Indovina “Development
of a time-domain tomographic System for optical imaging, Proc. SPIE, n° 4250, 566-576 (2001)
3. R. Esposito, M. Lepore, P.L. Indovina, “Small volume approximation in first order perturbative approach to
the diffusion equation, Proc. SPIE n° 4431, 320-328 (2001)
4. Santini, M.T., Romano, R., Rainaldi, G., Filippini, P., Bravo, E., Porcu, L., Motta, A., Calcabrini, A.,
Meschini, S., Indovina, P.L. and Arancia, G., The relationship between 1H-NMR mobile lipid intensity,
cholesterol and the Pgp pump in two human tumor multidrug resistant cell lines (MCF-7 and LoVo),
Biochimica et Biophysica Acta 1531, 111-131 (2001)
5. Rainaldi, G., Filippini, P., Ferrante, A., Indovina, P.L. and Santini, M.T., Fibronectin facilitates adhesion of
K562 leukemic cells normally growing in suspension to cationic surfaces, Journal of Biomedical Materials
Research 55, 104-113 (2001)
6. Filippini, P., Rainaldi, G., Ferrante, A., Mecheri, B., Gabrielli, G., Bombace, M., Indovina, P.L. and Santini,
M.T., Modulation of osteosarcoma cell growth and differentiation by silane-modified surfaces, Journal of
Biomedical Materials Research 55, 338-349 (2001).
Comunicazioni a congressi internazionali
1. M.Lepore, G.Urso, R.Esposito, L.Bottalico, M.Esposito, M.D.Falco, I.Delfino, P.L.Indovina “Development
of a time-domain tomographic System for optical imaging”, BiOS 2001, S.Josè, 20-26 Jan. 2001, (USA)
2. R. Esposito, M. Lepore, P.L. Indovina, “Small volume approximation in first order perturbative approach to
the diffusion equation”, BiOS Europe, Munich 17-23 June 2001 (Germany)
3. Filippini, P., Rainaldi, G., Ferrante, A., Indovina, P.L. and Santini, M.T., "Evaluation of the effects of
extremely low frequency (ELF) electromagnetic fields on the growth and cell cycle distribution of
osteosarcoma cells", International Conference on New Anticancer Agents, Athens, Greece, June 9-13, 2001
(no. 178), Anticancer Research Vol. 21, Number 3A, May-June 2001, pp.1612-1613.
4. Rainaldi, G., Filippini, P., Ferrante, A., Indovina, P.L. and Santini, M.T. "Three-dimensional spheroids as
an in vitro model to study tumor response to ionizing radiation", International Conference on New
229
5.
Anticancer Agents, Athens, Greece, June 9-13, 2001 (no. 179), Anticancer Research Vol. 21, Number 3A,
May-June 2001, p.1613.
Rainaldi, G., Filippini, P., Ferrante, A., Indovina, P.L. and Santini, M.T. "Fibronectin enhances adhesion of
K562 leukemic cells to cationic surfaces". Conference of the European Society for Biomaterials, London,
United Kingdom, September 12-14, 2001, P139
Comunicazioni a congressi nazionali
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
M. Lepore, L. Bottalico, R.Esposito, I. Delfino, P.L. Indovina “ Sviluppo di un sistema tomografico per
imaging ottico” Congresso Nazionale AIFM,12-16 Giugno 2001, Brescia (ITALY)
R. Esposito, M. Lepore, P.L. Indovina“Ricostruzione dell’immagine ottica mediante un approccio
perturbativo al primo ordine all’equazione di diffusione”, Congresso Nazionale AIFM, 12-16 Giugno
2001, Brescia (ITALY)
M.D. Falco, M. Lepore, P.L. Indovina “ Prevenzione e sicurezza laser nei laboratori di ricerca”, Congresso
Nazionale AIFM, 12-16 Giugno 2001, Brescia (ITALY)
M. Lepore, R. Esposito, G. Urso, L. Bottalico, I. Delfino, P.L. Indovina, “Development of a time-domain
Tomographic System for Optical Imaging” Congresso Nazionale INFM – INFMeeting 2001, 18-22 Giugno
2001, Roma (ITALY)
M. Lepore, R. Esposito, I. Delfino, G. Urso, P. L. Indovina, “Spatial resolution in two different Optical
Imaging systems”, Congresso Nazionale INFM – INFMeeting 2001, 18-22 Giugno 2001, Roma (ITAlY)
M.Lepore, I.Delfino, R.Esposito, M.D. Falco, P. Meglio, “ An Introductory Corse on Laser Technology and
its Applications for Intermediate School”, Congresso Nazionale INFM – INFMeeting 2001,Giugno 2001,
Roma (ITALY)
M.D. Falco, M. Lepore, P.L. Indovina, “ Exposure to laser radiation in research laboratories”, Congresso
Nazionale INFM – INFMeeting 2001, 18-22 Giugno 2001, Roma (ITALY)
Romano, R., Camassa, S., Pagano, C., Motta, A., Santini, M.T. and Indovina, P.L., “L'algoritmo MeFreS”,
II Congresso Nazionale dell'Associazione Italiana di Fisica in Medicina, Brescia, Italy, June 12-16, 2001,
pp. 141-142.
Santini, M.T. and Indovina, P.L. "Three-dimensional spheroids as an in vitro model to study tumor cell
dynamics". II Congresso Nazionale dell'Associazione Italiana di Fisica in Medicina, Brescia, Italy, June 1216, 2001, pp. 487-488
Camassa, S., Pagano, C., Romano, R., Motta, A., Santini, M.T. and Indovina, P.L. “NMR frequencyselective quantification algorithm”. Congresso, Nazionale di Fisica della Materia, Rome, Italy, June 18-22,
2001, p. 99 (no. I-13).
Santini, M.T., Rainaldi, G., Filippini, P., Ferrante, A. and Indovina, P.L., “Apoptotic response of threedimensional osteosarcoma spheroids to ionizing radiation”. Congresso Nazionale di Fisica della Materia,
Rome, Italy, June 18-22, 2001, p. 264 (no. III-98).
Pagano, C., Grossi, G., Indovina, P.L., Motta, A., Pugliese, M., Romano, R., Santini M.T. and Scampoli, P,
“1H-NMR spectroscopy of a radioprotective agent on human cells", Congresso Nazionale di Fisica della
Materia, Rome, Italy, June 18-22, 2001, p. 272 (no. III-123).
Rainaldi, G., Filippini, P., Ferrante, A., Indovina, P.L. and Santini, M.T., “alutazione dell'adesione di cellule
eritroleucemiche umane (K562) su uperfici cationiche: ruolo dell'adsorbimento della fibronectina", Scuola
azionale di Biofisica 2001: Biofisica e Biomateriali, Bressanone (Bz), Italy, eptember 3-5, 2001, pp. 40-41
(no. P08).
GENERAZIONE DI RADIAZIONE VUV e XUV
C. Altucci*, R. Bruzzese, C. de Lisio, A. Porzio e S. Solimeno
Attività 2001
Nell’interazione tra radiazione laser ultraintensa (1012-1015 W/cm2) e gas nobili si possono
generare armoniche di ordine molto elevato (fino a oltre 100) della frequenza laser
fondamentale. Se da un lato le caratteristiche della radiazione generata consentono di
indagare sui dettagli della fisica di un atomo esposto ad un campo estremamente intenso,
230
dall’altro è possibile disporre di radiazione coerente di piccola lunghezza d’onda per
applicazioni nell’analisi dei materiali.
Sugli aspetti più fondamentali del processo, il gruppo di Napoli collabora con il Politecnico di
Milano e con l’Università di Padova ad un esperimento che impiega una sorgente laser a
Ti:Sa che genera impulsi di durata inferiore a 10 fs. Il sofisticato sistema d’acquisizione dei
dati consente di determinare simultaneamente sia la distribuzione spettrale della radiazione
generata nell’interazione che il profilo spaziale dei fasci di armonica. È stato anche messo a
punto un modello numerico dell’interazione che ha fornito un ottimo accordo con i risultati
sperimentali in un’ampia varietà di condizioni sperimentali.
L’attività svolta presso il Dipartimento di Scienze Fisiche di Napoli è stata orientata
prevalentemente sulle applicazioni della radiazione di armoniche. A tal fine, si è studiata
l’ottimizzazione dell’efficienza di conversione mediante l’impiego di fasci laser non
convenzionali, in particolare di fasci di Bessel-Gauss, realizzati con un sistema ottico basato
su lenti coniche. Visto il grande interesse che recentemente stanno suscitando i fasci di
Bessel-Gauss in diversi campi dell’ottica, tale sistema è stato dapprima studiato e
caratterizzato sia teoricamente che sperimentalmente con un laser di bassa potenza (He-Ne) e
successivamente è stato impiegato sul fascio del laser a Ti:Sa disponibile presso il
Dipartimento (120 fs, 1 mJ/pulse) al fine di generare armoniche in una configurazione
geometrica tale da minimizzare gli effetti deleteri del “phase-mismatch” cui si va incontro
utilizzando un fascio gaussiano.
La radiazione di armoniche è stata impiegata per la determinazione della funzione dielettrica
del silicio poroso mediante misure di riflettanza ad incidenza normale accoppiata all’analisi
basata sulle equazioni di Kramers-Kronig in un intervallo spettrale compreso tra il vicino
infrarosso fino al VUV (70 nm). La copertura della regione a grande lunghezza d’onda è
assicurata da uno spettrofotometro convenzionale.
La sorgente laser è stata anche impiegata in un esperimento di ablazione laser da solido
superconduttore (MgB2). L’esperimento ha riguardato la spettroscopia risolta in spazio e
tempo del plume emesso dal campione di MgB2, ed ha permesso di confrontare le
caratteristiche di eccitazione ed energia di flusso delle specie ablate con quelle relativa al
processo di ablazione nel regime convenzionale dei ns.
Programma 2002
La collaborazione con il Politecnico di Milano e con l’Università di Padova proseguirà con
l’analisi dettagliata del comportamento di un sistema atomico esposto ad impulsi laser di
elevata intensità e della durata di pochi cicli ottici. In particolare, si studieranno gli effetti dei
vari parametri sperimentali sulle caratteristiche della radiazione generata, quali lo spettro, il
profilo spaziale, l’efficienza di conversione, etc. etc. Parallelamente all’attività sperimentale
che si svolge prevalentemente a Milano, procederà lo sviluppo del modello teorico-numerico
del processo di interazione laser-gas.
L’impiego di fasci laser non convenzionali proseguirà alla ricerca della condizione di
massima efficienza di generazione delle armoniche: misure preliminari hanno mostrato che la
massima efficienza viene raggiunta adattando l’estensione longitudinale del gas ai parametri
del fascio di Bessel-Gauss.
La sorgente a Ti:Sa a femtosecondi sarà utilizzata anche per attività di ricerca diverse dalla
generazione di armoniche:
1. Ablazione laser nel regime dei femtosecondi: le indagini sperimentali in questa direzione
si svolgono in collaborazione anche con ricercatori dell’area di Superconduttività, visto
l’enorme interesse che la deposizione laser suscita per la realizzazione di film di materiali
superconduttori.
231
2. Dinamiche di non equilibrio in giunzioni Josephson: si intende sfruttare la breve durata
degli impulsi laser e la possibilità di indurre fenomeni non lineari con un minimo rilascio
di energia al fine di determinare i processi fondamentali che regolano le giunzioni
Josephson durante le transizioni tra stato superconduttivo e stato resistivo.
3. Analisi di materiali innovativi: è in programma lo studio di proprietà ottiche non lineari
del silicio poroso (in collaborazione col gruppo del Prof. P. Maddalena) quali la
generazione di seconda armonica.
4. Fisica della combustione: in collaborazione con il dipartimento di Ingegneria Chimica di
Napoli (Prof. D’Alessio), è prevista una serie di esperimenti atti a determinare le
caratteristiche spettrali e spaziali della radiazione laser diffusa da vari tipi di fiamme allo
scopo di individuare la dinamica di formazione del particolato (fuliggine) responsabile
dell’inquinamento atmosferico associato alle emissioni di impianti di produzione
energetica e di motori per autotrazione.
During the interaction of ultraintense laser radiation (1012-1015 W/cm2) with noble gases, high-order harmonics
(beyond 100) of the laser fundamental frequency can be generated. The characteristics of the generated
radiation contribute to the understanding of the behaviour of an atom exposed to an extremely intense field.
Simultaneously one can employ harmonic radiation as a coherent source of short wavelength radiation for
applications in the analysis of various materials.
Fundamental aspects of the process have been studied by the group of Napoli in collaboration with the
Polytechnic of Milano and the University of Padova with an experiment that employs a Ti:Sa laser source
generating pulses shorter than 10 fs. The sophisticated data acquisition system allows simultaneous
determination of both the spectral distribution and space profile of the harmonic beams. We also developed a
numerical model of the interaction that gave good agreement with the experimental result in a wide variety of
experimental conditions.
The activity carried out at Department of Physical Sciences of Napoli has been mostly focused on the
applications of harmonic radiation. To this end, the optimisation of conversion efficiency by means of nonconventional laser beams has been studied. In particular, we realized Bessel-Gauss beams with an optical
system based on axicone lenses. Due to the great interest that Bessel-Gauss beams have recently raised in
various fields of optics, such system has been first studied and characterized both theoretically and
experimentally with a low power laser (He-Ne) and subsequently has been employed on the Ti:Sa laser beam
(120 fs, 1 mJ/pulse) to generate harmonics with an innovative geometric configuration in order to reduce the
phase-mismatch occurring when using Gaussian beams.
Harmonic radiation was employed for the determination of the dielectric function of porous silicon by means of
normal incidence measurements of its reflectance together with an analysis based on the Kramers-Kronig
equations in a spectral interval between near infrared and VUV (70 nm). Measurements in the long wavelength
region were performed with a conventional spectrophotometer.
The laser source has been also employed for laser ablation from metals. The experiment, carried out in
collaboration with the group of Prof. N. Spinelli, was aimed to the study of the energetic characteristics of ions
removed from metal surfaces (To, Cu, Au) after the interaction of the target with the laser pulses.
2002 Program
The collaboration with the Polytechnic of Milan and the University of Padova will continue with the detailed
analysis of the behaviour of an atomic system exposed to high intensity and short duration laser pulses. In
particular, the effects of various experimental parameters on the characteristics of the generated radiation
(such as the spectrum, the space profile, the conversion efficiency, etc.) will be studied. In parallel with the
experimental activity that is carried out mostly in Milano, the development of the theoretical-numerical model of
the laser-gas interaction process will continue.
The employment of not conventional laser beams will be aimed to the fulfilment of the maximum harmonic
generation efficiency: in fact, preliminary results have shown that the maximum efficiency is obtained when the
longitudinal extension of the gas target is properly matched to some parameters of the Bessel-Gauss beam.
Besides high-order harmonic generation, the femtosecond Ti:Sa laser source will be also used for various
research activities:
232
1.
Laser ablation in the femtosecond regime: experimental investigations in this direction will be carried out
in collaboration with the group of the Prof. Spinelli, and with researchers of the area of superconductivity,
due to the great interest that the laser deposition has gained in connection to the realization of
superconducting films.
2. Non-equilibrium dynamics in Josephson junctions: we intend to benefit from the short duration of laser
pulses and the possibility to induce non-linear phenomena with a minimal release of energy. The goal is to
understand the fundamental processes that govern the Josephson junction behaviour during their
transitions between the superconducting and the resistive state.
3. Analysis of innovative materials: we have planned an experiment on the generation of second harmonic
from porous silicon. The study of non-linear optical properties of porous silicon will be carried out in
collaboration with the group of Prof. P. Maddalena.
4. Combustion physics: in collaboration with the department of Chemical Engineering of Napoli (Prof.
D’Alessio), we have planned a series of experiments for the determination of the spectral and spatial
properties of the laser radiation scattered from several types of flames. This will allow the characterization
of the dynamics of formation of particles (soot), which is responsible of the atmospheric pollution
connected to the emissions from power stations and car engines.
Pubblicazioni 2001
1. P. Villoresi, P. Barbiero, L. Poletto, G. Cerullo, M. Nisoli, E. Priori, S. Stagira, C. Altucci, R. Bruzzese, C.
de Lisio, Study of few-optical-cycles generation of high-order harmonics, Laser Part. Beams, 19, 41 (2001)
2. C. Altucci, R. Bruzzese, C. de Lisio et al, Beam divergence of high-order harmonics generated in the fewoptical cycle regime, Journal de Physique IV, Pr2, 351-354 (2001).
3. E. De Filippo, C. de Lisio, P. Maddalena, G. Lérondel, T. Yao, C. Altucci, Determination of the dielectric
function of porous silicon by hgh-order lase-harmonic radiation, Appl. Phys. , A73, 737 (2001).
OTTICA NONLINEARE PER LO STUDIO DI SUPERFICI
L. Marrucci, D. Paparo *, E. Santamato
Attività 2001
Nel corso del 2001, il laboratorio in cui si svolge questa attività si è riorganizzato per portare
avanti due linee principali di ricerca, entrambe fondate sulla spettroscopia ottica nonlineare
applicata allo studio della fisica della materia condensata. Le due linee sono: (i) ottica
nonlineare del secondo ordine, in particolare generazione di luce di seconda armonica (SHG),
applicata allo studio di superfici ed interfacce; (ii) ottica nonlineare del terzo ordine, in
particolare Raman coerente anti-Stokes (CARS), applicata allo studio di film di vari materiali,
con particolare attenzione ai cuprati e altri ossidi perovskiti dalle proprietà elettroniche
interessanti (inclusi superconduttori ad alta Tc). E' stata compiuta una riconversione
dell'apparato di generazione di luce di seconda armonica (SHG) da superfici, per passare dal
laser a Ti:zaffiro al femtosecondo al laser a Nd:YAG al picosecondo, che è anche corredato
da cristalli duplicatori e triplicatori di frequenza e generatore parametrico ottico per la
conversione della lunghezza d'onda della luce in un ampia banda del visibile e del vicino
infrarosso. Questa conversione permetterà nel futuro di eseguire SHG spettroscopica,
variando la lunghezza d'onda della luce incidente. Inoltre si è messo a punto una linea di
ritardo ottica per misure in geometria pump-probe, per eseguire spettroscopia ottica
nonlineare di fenomeni dinamici risolti al picosecondo. L'apparato è stato anche corredato di
una linea di rivelazione di fluorescenza risolta in tempo. Questi sistemi sono stati inizialmente
applicati ad alcune problematiche che derivano dalla linea tradizionale sui cristalli liquidi
(vedere sezione sull'ottica nonlineare dei cristalli liquidi), ma successivamente sono stati
studiati certi fenomeni relativi a problematiche generali di chimica-fisica dei liquidi. E' stato
anche fatto un lavoro di carattere teorico sui motori molecolari, ispirato dai fenomeni studiati
in materiali molecolari che assorbono la luce. Tra i risultati più interessanti, uno studio della
233
dinamica rotazionale diffusiva di molecole di coloranti disciolti in liquidi che ha portato alla
scoperta di uno straordinario effetto isotopico per la sostituzione di atomi di idrogeno con
deuterio.
Programma 2002
Per quanto riguarda la linea fondata sull'ottica nonlineare del secondo ordine (SHG), nel corso
del 2002 si intendono studiare fenomeni di fotoisomerizzazione in molecole di azocomposti
adsorbite su varie superfici utilizzando tecniche SHG risolte in tempo. Questo studio ci
dovrebbe consentire di acquisire informazioni preziose sul meccanismo microscopico
sottostante il fenomeno della anisotropia collettiva fotoindotta, che si osserva in polimeri, film
molecolari, e cristalli liquidi contenenti azocomposti.
La linea di spettroscopia del terzo ordine si focalizzerà principalmente sullo studio con
tecniche CARS pump-probe risolte in tempo dei fenomeni di bassa energia che avvengono in
film di cuprati e altri ossidi perovskitici, inclusi superconduttori ad alta Tc, risolti in tempo.
During 2001, the laboratory in which this activity is based has been reorganized in order to carry on two main
research lines, both based on nonlinear optical spectroscopy applied to condensed matter physics. The two lines
are the following: (i) second-order nonlinear optics, in particular optical second harmonic generation (SHG),
applied to the study of surfaces and interfaces; (ii) third-order nonlinear optics, in particular coherent antiStokes Raman spectroscopy (CARS), applied to the study of thin films of different materials, with a special
interest in cuprates and other perovskite oxides having exotic electronic properties (including high Tc
superconductors). A conversion of our surface SHG set-up has been accomplished, to pass from the Ti:sapphire
femtosecond laser to a Nd:YAG picosecond one, that is equipped with doubling- and tripling- frequency crystals
and optical parametric generator for the wavelength tunability in a wide band of visible and near infrared light.
This change will allow us in the future to perform spectroscopic SHG, varying the input light wavelength.
Moreover, we set up an optical delay line for pump-probe measurements, to carry on nonlinear optical
spectroscopy of dynamical phenomena, resolved at the scale of few picoseconds. This apparatus has been also
endowed with a detection line of time-resolved fluorescence. These systems have been initially applied to
problems arisen in the field of liquid crystal optics (see section on nonlinear optics of liquid crystals), but later
one other phenomena related with general issues of the chemical-physics of liquids have been also investigated.
A theoretical work on molecular motors has been also completed, inspired by the results obtained with lightabsorbing molecular liquid systems. Among the most interesting results, a study of the rotational diffusional
dynamics of dye molecules dissolved in liquids that has brought to the discovery of an extraordinary isotopic
effects, for substitution of hydrogen atoms with deuterium.
2002 Program
Within the research line based on the second-order nonlinear optics, during 2002 we plan to study phenomena
of photoisomerization in azo compounds adsorbed on different surfaces, using time-resolved SHG. This study
should allow us to gain some insight into the microscopic mechanism behind the phenomenon of photoinduced
optical anisotropy observed in polymers, molecular films, and liquid crystals containing azo compounds.
The research line based on third-order nonlinear spectroscopy will be focused mainly on the time-resolved
study with pump-probe CARS of low-energy phenomena taking place in cuprate films and other perovskitic
oxides, including high Tc superconductors.
Pubblicazioni 2001
- L. Marrucci, D. Paparo, M. Kreuzer, “Fluctuating-friction molecular motors” J. Phys.: Cond. Matt. 13, 1037110382 (2001).
234
OTTICA NONLINEARE NEI CRISTALLI LIQUIDI
B. Piccirillo, A. Vella, E. Santamato
Attività 2001
Nel 2001 l'attività del gruppo di ricerca è stata incentrata su tre linee principali
- Miscele di cristalli liquidi e coloranti organici (dye)
- Riorientazione ottica dei cristalli liquidi
- Pinze ottiche direzionali
- Miscele di cristalli liquidi e coloranti organici
Per determinare il ruolo svolto dalle transizioni cis-trans, nella riorientazione ottica nelle
misecele di cristalli liquidi e coloranti organici, si è avviata una collaborazione con un gruppo
di chimici dell’Università di Torino, i quali hannopreparato una serie omologa di azodye, in
cui alcuni composti avranno le transizioni conformazionali bloccate. Le misure hanno subito
alcuni ritardi dovuti a difficoltà sorte nella preparazioni degli azodye necessari. Il gruppo di
Torino, infatti, ci ha fornito solo una parte dei coloranti necessari per terminare tutte le prove
in programma. Nel frattempo si è progettato un nuovo apparato sperimentale in grado di
rivelare la riorientazione ottica e le popolazioni sia cis chee trans simultneamente.
- Riorientazione ottica dei cristalli liquidi
È stata studiata la competizione tra momento angolare orbitale e di spin dei fotoni nel
processo di riorientazione ottica dei cristalli liquidi e si sono studiati i diversi regimi dinamici
riscontrati. I risultati sono in corso di pubblicazione e saranno pubblicati nel 2002. Si è anche
formulato un modello originale che, nelle aspettative, dovrebbe render conto degli aspetti
qualitativi delle dinamiche osservate.
- Pinze ottiche direzionali
In collaborazione con il gruppo diretto dal prof. A. Sasso, è stato realizzato un prototipo di
pinze ottiche direzionali in grado di orientare le particelle intrappolate. La pinza si basa sul
trasferimento di momento orbitale della luce al corpuscolo intrappolato. È per la pinza ottica
direzionale l’INFM (Istituto Nazionale di Fisica della Materia) ha chiesto un brevetto USA.
Programma 2002
Nel 2002 si proseguirà lo studio dell’effetto di amplificazione della riorientazione ottica nei
cristalli liquidi drogati con la serie omologa di azodye preparati presso l’Università di Torino,
allo scopo di determinare il ruolo svolto dalle transizioni conformazionali fotoindotte.
Verrà terminato lo studio dei regimi dinamici prodotti dalla competizione di momento
angolare di spin ed orbitale della luce nei cristalli liquidi e si inizierà una serie di esperimenti
sul caos determinisitco osservato per alcuni valori dei parametri di controllo.
Si cercherà di effettuare alcune misure di trasferimento di momento orbitale e di spin a
corpuscoli intrappolati nella nostra pinza ottica direzionale.
In 2000 our research activity covered the following topics:
- Liquid crystal-dye mixtures
- Optical reorientation in liquid crystals
- Directional optical tweezers
- Liquid crystal-dye mixtures
In order to find out the role played by the cis-trans photoisomeriztion processes in the optical reorientation of
235
the mixtures of liquid crystals and dyes, we started a collaboration with chemists of Torino Univerity, who made
a homologlus series of azo-dye compounds., having their photoisomerization partially and totally quenched. We
had some retardation on the programed measurements, because Torino gorup had some troubles in preparing
all compounds. In the meanwhile we made a new apparatus to monitor simultaneously the optical reorientation
and the cis and trans dye populations.
- Optical reorientation in liquid crystals
We studied the competiton betwenn the photon spin and the orbital angular momentum in the optical
reorientation process in liquid crystals and the resulting dynamical regimes. The results will be published in
2002. We made also a model which should be able to explain the main features of the observed phenomena.
- Directional optical tweezers
In a collaboration with prof. A. Sasso, we made directional optical tweezers able to orient the trapped particles
in any direction. The tweezers are based on the transfer of the orbital angular momentum of light to the trapped
particle. An USA patent is pending on this device.
2002 Program
We plan to continue our studies on the dye-induced enhancement of the optical reorientation in liquid crystals,
using the azo-dye made by Torino group, to better understanding the role played by the cis-trans
photoisomerization processesOur studies on the dynamical regimes induced in liquid crystals by the angular momentum of light will be
carried out and a new series of measurements will start on the chaotic regimes that we observed for particular
values of the control parameters.
We will try to transfer the spin and the orbital angular momentum of light to particles trapped in our directional
tweezers.
Pubblicazioni 2001
1. Piccirillo, C. Toscano, E. Santamato, Undamped nonlinear oscillations of the molecular director induced in a
liquid crystal film by the competition between the orbital and spin angular momentum of light, Mol. Cryst.
Liq. Cryst., 372, 383 (2001)
2. B. Piccirillo, C. Toscano, F. Vetrano, E. Santamato, Orbital and spin photon angular momentum transfer in
liquid crystals , Phys. Rev. Lett., 86, 2285 (2001)
- B. Piccirillo, A. Vella, E.Santamato, Orbital and spin photon angular momentum transfer in liquid crystals,
OLC'2001, Sorrento, 1-6 ottobre 2001
Conferenze nazionali:
- B. Piccirillo, A. Vella, E. Santamato, Nonlinear oscillations and chaos induced in liquid crystals by the
competition between the transfer of orbital and spin angular momentum of light, INFMeeting 2001, 18-22
giugno 2001
Direzione di progetti scientifici di interesse nazionale o internazionale
-
E. Santamato è il coordinatore scientifico del PRIN2001 su “Transfer of the orbital angular momentum of
light in liquid crystals”
Attività di referee
-
E. Santamato è referee di Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. B, Opt. Letts,. Liq. Cryst.
236
SPETTROSCOPIA LASER AD ELEVATA RISOLUZIONE E SENSIBILITÀ
A.Bruno, G.Pesce, G.Rusciano, A.Sasso
Attività 2001
È stato implementato un apparato per la produzione di radiazione coerente nel medio
infrarosso basato sulla difference frequency generation (DFG). Nell’apparato già esistente le
onde di signal e pompa erano rappresentate da un laser a Nd.Yag (P=500 mw, cw) e da un
laser a diodo stabilizzato in frequenza mediante una cavità estesa a reticolo nella
configurazione Littrow (P=5 mw). Con tale apparato era stato possibile generare radiazione
accordabile intorno a 3 micron con una potenza massima di alcune centinaia di nanoW. Al
fine di aumentare la potenza dell’idler , e quindi migliorare il rapporto segnale rumore negli
spettri di assorbimento, il laser a diodo è stato sostituto con una coppia di laser a diodo nella
configurazione master-slave in cui la radiazione di un laser a diodo di bassa potenza ma
stabilizzato in frequenza (master) è stato iniettato nella cavità di un secondo laser a diodo di
potenza elevata (P=80 mW) non stabilizzabile con feed-back ottico (slave). Con questo
sistema il laser slave è stato stabilizzato in frequenza e la sua radiazione è stata combinata con
quella di un laser a Nd.Yag in un cristallo poled (Nimbato di litio) per generare fino a 3
microW di radiazione nel medio IR. Questo lavoro ha comportato la misura della bandwidth
del laser slave per verificarne la bontà della stabilizzazione. Ciò è stato effettuato misurando
la nota di battimento della radiazione dello slave con quella di un secondo fascio da esso
ricavato mediante un modulatore acusto-ottico che introduceva uno shift di frequenza di circa
20 MHz.
La radiazione così generata ha permesso di investigare bande vibrazionali fondamentali di
diverse molecole tra cui H2O, N2O, OH, e più recentemente C2H2. Per queste molecole sono
state analizzati profili di riga per la determinazione di coefficienti di allargamento collisionale
in presenza dei principali gas costituenti l’atmosfera terrestre (azoto e ossigeno). Inoltre sono
stati determinati i limiti di sensibilità di rivelazione in aria.
Programma 2002
L’attività prevista per il prossimo anno riguarderà i seguenti punti:
- Rivelazione di specie molecolari ad elevata sensibilità combinando la tecnica della
wavelength modulation spectroscopy con l’uso di celle multipasso.
- Analisi di forma di riga mediante profili che includono processi di restringimento di riga
(Dicke narrowing effect).
- Analisi di profili di riga senza allargamento Doppler mediante spettroscopia di saturazione
We have implemented an experimental apparatus for coherent production in the mid-infrared spectral region
based on difference frequency generation (DFG). In the apparatus previously realized the signal and pump
waves consisted in a Nd.Yag laser (P=500 mW, cw) and a semiconductor diode laser (P=5mW) frequency
stabilized by means of the extended cavity techniques in Littrow configuration. With this apparatus narrowband
tunable radiation was produced around 3 micron at a power level of the order of few hundreds of nanoW. IN
order to improve the idler power, and hence to improve the signal-to-noise ration in the recorded absorption
spectra (high sensitivity), the diode laser has been replaced by a couple of diode lasers in the master-slave
scheme. In this configuration the beam from a low power diode laser but frequency stabilized (master) has been
injected inside the cavity of a second diode laser of higher power (P=80 mW). The slave laser has so been
stabilized and mixed into a periodically poled crystal with the laser beam coming from a Nd.Yag laser to
generate an idler wave tunable around 3 micron with a power of about 5 microW, i.e. more than one order of
magnitude larger than the previous spectrometer. The spectral purity of the slave laser has been measured
through the beat note measurement of the slave laser with a second beam shifted of about 20 MHz.
237
The DFG radiation has been used to investigate the fundamental vibrational bands of several molecule of
atmospheric interest, such as H2O, N2O, OH, and more recently C2H2. For all these molecules have been
determined the collisional broadening coefficients in presence of the most important atmospheric gases
(nitrogen and oxygen). Moreover, the detection limit at atmospheric pressure have been also measured.
2002 Program
The activity for the next year will concern the following points:
- Detection of molecules of relevant interest for the atmospheric physics at levels of ppm or below.
- Lineshape analysis using theoretical profile including narrowing processes (Dicke effect).
- Doppler-free analysis of vibrational lines by using saturation spectroscopy.
Pubblicazioni 2001
- L.Moretti, A.Sasso, L.Gianfrani, and R.Ciurlo, Collisional-broadened and Dicke narrowed line shapes of
H216O and H218O transitions at 1.39 µm, J. Mol. Spectr. 205, 20-27 (2001).
- A.Sasso, A. Bruno, G. Pesce, G. Rusciano, High resolution spectroscopy of ν1 H2O band at 3µm by DFG,
E.C.A.M.P., Berlin, 2-6 aprile 2001.
MANIPOLAZIONE ED INTRAPPOLAMENTO DI PARTICELLE
MICROMETRICHE MEDIANTE OPTICAL TWEEZERS
A. Buascioli, A.Caburni, G.Pesce, Malagnino, A.Sasso
Attività 2001
È stato realizzato un nuovo sistema di optical tweezers basato su un microscopio a
fluorescenza invertito. Il sistema è stato caratterizzato in termini di forza massima di
intrappolamento, di efficienza, e di stiffness della trappola ottica utilizzando obiettivi con
diversa apertura numerica e intrappolando microsfere di polistirene con diametro variabile da
1 fino a 15 micron. Buoni risultati sono stati trovati dal confronto di previsioni teoriche.
È stato allestito un sistema per monitorare la posizione della particella intrappolata con
accuratezze di poche decine di nm. Tale apparato sarà utilizzato per calibrare la forza della
trappola e per l’analisi del moto Browniano.
Inoltre è in fase di realizzazione un sistema di trappola interferometrica in cui un sistema di
frange riproduce nel piano focale dell’obiettivo una sorta di array di trappole. Tale sistema, se
combinato con un secondo sistema interferometrico a diversa lunghezza d’onda potrebbe
servire alla realizzazione di un motore ottico (ratchet di Feynmann).
Sono stati avviati i primi esperimenti di applicazione delle optical tweezers in campo
biologico. In collaborazione con il Dipartimento di Biologia dell’Università di Ferrara sono
stati eseguiti misure preliminare concernenti studi di elasticità di filamenti di actina.
Infine, in collaborazione con il gruppo del prof. Santamato è stato realizzato un esperimento
di intrappolamento e di orientazione di particelle oblunghe isotrope e trasparenti mediante
processi di scattering in cui è scambiato il momento angolare orbitale del fascio laser.
238
Programma 2002
Per l’anno 2002 si prevede di sviluppare ulteriormente le attività già avviate. In particolare si
pensa di:
Effettuare misure di viscosità locale attraverso l’analisi dello spettro di rumore del segnale
stocastico derivante dal moto Browniano di particelle intrappolate in soluzioni polimeriche.
Misurare il carico di rottura di filamenti di astina opportunamente decorati con coloranti.
Realizzare una trappola interferometrica.
The system has been characterized in terms of maximum radial force, efficiency, and stiffness. The results
obtained using objective lenses having different numerical apertures and polystyrene microsphere with diameter
ranging from 1 and 15 micron have provided good agreement with theory.
We have also tested a position sensing detector which is able to monitor the position of the trapped particle with
accuracy of few tens of nm. This apparatus is useful for force calibration and for the analysis of the Brownian
motion.
We are realizing an interferometric trap in which an interferometric pattern is reproduced in the focal plane of
an objective. The particle can be trapped in the anti-nodes position as a sort of periodic potential. We hope to
extend this study to more complex cases where two different wavelength are simultaneously utilized. Asymmetric
optical potential can be considered as an optical version of Feynman’s ratchets.
Optical tweezers have been also used for biological applications. In particular, in cooperation with the
Biological Dept of the University of Ferrara preliminary measurements concerning the elasticity and the tensile
strength have been performed.
Finally, in collaboration with the group of prof. Santamato has been realized a novel optical trap where nonspherical particles are trapped and oriented with the same laser beam. The phenomenon governing this trap is
based on the transfer of orbital angular momentum carried on by astigmatic laser beams.
2002 Program
The activity for the next year will concern the following points:
Detection of molecules of relevant interest for the atmospheric physics at levels of ppm or below.
Lineshape analysis using theoretical profile including narrowing processes (Dicke effect).
Doppler-free analysis of vibrational lines by using saturation spectroscopy.
OTTICA QUANTISTICA
A. Porzio * e S. Solimeno
Attività 2001
- Generazione, caratterizzazione ed applicazione di radiazione non classica
Nel corso del 2001 è stata portata a termine la caratterizzazione di un OPO basato su di un
cristallo di Niobato di Litio (phase matching non critico di tipo I). In particolare facendolo
lavorare al di sopra della soglia di oscillazione, è stato condotto uno studio accurato del grado
di correlazione tra i fasci prodotti al variare della loro distanza in frequenza. Infatti è possibile
variare tale distanza intervenendo sulle condizioni di phase matching variando, pertanto, la
temperatura di lavoro del cristallo. Particolare cura è stata dedicata al sistema per la
separazione spaziale dei fasci ed alla loro rivelazione bilanciata. La misura della correlazione
è, infatti, resa difficile dalla necessità di separare spazialmente due fasci aventi le stessa
polarizzazione e molto vicini in frequenza. Il problema è stato risolto con una tecnica
originale basata su di un reticolo di diffrazione ad alta efficienza in grado di diffrangere più
del 90% della radiazione sul primo ordine di diffrazione. Il sistema realizzato rappresenta la
prima realizzazione sperimentale di una sorgente di fasci non-classici accordabile in
239
frequenza e, senza dubbio, contribuisce ad allargare il possibile spettro della applicazioni di
tali dispositivi a misure ad altissima sensibilità.
Nel filone di studio delle proprietà non-classica di un OPO si inserisce anche un lavoro
teorico atto ad analizzare in dettaglio la dinamica del sistema in modo da correttamente
interpretare gli andamenti sperimentali del rumore sia sul singolo fascio generato sia sulla
differenza dei due. Lo studio, scaturito dall’indagine sperimentale di un OPO a KTP condotta
nel corso del 2000, ha messo in evidenza il ruolo delle diverse sorgenti di rumore nella
composizione dello spettro della radiazione emessa da un OPO. In particolare ci si è
soffermati sul ruolo del rumore in eccesso del laser di pompa e sul ruolo del detuning; ovvero
della non perfetta risonanza della cavità ottica. I risultati di questo studio sono stati oggetto sia
di una pubblicazione, che apparirà a breve su Applied Physics B, sia di una comunicazione ad
un congresso internazionale.
Nel corso del 2001, il gruppo ha portato a termine un primo esperimento di tomografia
omodina. Questo esperimento, che può essere considerato preliminare, è consistito nella
ricostruzione della funzione di Wigner di uno stato coerente della radiazione. Il sistema
tomografico si basa sull’acquisizione di un elevato numero di dati omodina, tali da costituire
un campione, statisticamente valido, della distribuzione della quadratura del campo in
funzione della sua fase. Da questi dati, con tecniche numeriche sofisticate, è possibile ricavare
le informazioni sulla matrice densità dello stato sotto misura e quindi ricostruire la sua
funzione di Wigner. L’apparato sperimentale utilizzato in questo primo esperimento è ora
montato per misurare la funzione di Wigner di uno stato squeezed da vuoto. Stato che è
prodotto in un OPO degenere e sotto soglia. Il lavoro sulla tomografia è condotto in
collaborazione con il gruppo di Ottica Quantistica dell’Università di Pavia.
In questo filone va ascritta anche la collaborazione che il Dr. Porzio ha instaurato con il
gruppo del Prof. Kumar presso l’ECE Department della Northwestern University (Evanston,
IL USA).
- Cavità a specchi piani e paralleli per misure ad elevata sensibilità
Il gruppo collabora con l'INFN di Pisa per la realizzazione di un interferometro Fabry-Perot a
specchi piani e paralleli in grado di misurare il rumore termico di uno specchio sospeso. La
cavità sospesa è inserita sul cosiddetto super attenuatore che altro non è che un prototipo delle
sospensioni utilizzate nell’Interferometro VIRGO per la rivelazione di onde gravitazionali.
Nell’ambito di questa collaborazione, il gruppo ha preso parte alla stabilizzazione in
frequenza della sorgente laser, al montaggio delle ottiche in situ, ovvero su di una piattaforma
sospesa posta in prossimità del super attenuatore, ed alle prime misure di aggancio della
cavità sospesa. Al momento è in fase di realizzazione l'intero apparato di misura. E’ inoltre in
corso lo studio, dal punto di vista teorico, dell’interazione dei modi termici dello specchio con
la radiazione presente in cavità per poter prevedere in dettaglio il comportamento del sistema.
- Proprietà della radiazione di fluorescenza in processi di laser cooling
Il gruppo si occupa, con studi teorici, della descrizione di sistemi di ioni intrappolati. In
particolare sta affrontando la possibilità di pilotare la dinamica di questi ioni mediante
opportune combinazioni di fasci laser. Il controllo della dinamica di un tale sistema è di
importanza fondamentale per lo sviluppo delle tecniche di indagine delle proprietà della
radiazione emessa per fluorescenza da tali sistemi e le proprietà quantistiche degli stati
generati così generati. Le catene di ioni intrappolati sono di interesse per lo studio del
cosiddetto quantum computer.
240
Programma 2002
Nel corso del 2001 si intende proseguire lo studio e la caratterizzazione degli OPO in
continua messi a punto nel corso degli ultimi anni. I fasci gemelli, prodotti sopra la soglia di
oscillazione, verranno impiegati nello studio di fattibilità di un protocollo di crittografia
quantistica che sfrutta le proprietà di correlazioni dei suddetti fasci.
Inoltre verrà implementato un tool per misure tomografiche dello stato quantistico della
radiazione prodotta sotto soglia. In queste condizioni un OPO è in grado di generare
radiazione dalle elevate proprietà quantistiche. In questo modo sarà possibile, a partire dalla
ricostruzione funzione di Wigner, risalire ad informazioni sulle trasformazioni che lo stato
subisce nel suo cammino ottico. La possibilità di ottenere dati affidabili risiede nella
possibilità di ridurre a livelli molto bassi il contributo del rumore elettronico di rivelazione.
Inoltre si dovrà porre particolare cura al set-up ottico per garantire un'efficienza complessiva
di rivelazione elevata.
Inoltre sarà portata avanti sia la collaborazione con l’INFN di Pisa per lo studio del rumore
termico di uno specchio sospeso sia la ricerca sul tema degli ioni intrappolati.
- Generation, characterization and applications of non-classical radiation
During 2001 it was accomplished the characterization of a Lithium Niobate based OPO (non critical type I
phase matching). In particular, by allowing the OPO to work above its oscillation threshold, the correlation
degree between the produced twin beams has been accurately studied, letting their frequency distance to vary. In
fact, it is possible to adjust such a distance by changing the phase matching condition, actually by adjusting the
crystal working temperature. A particular care was dedicated to the system used to spatially separate the beams
and to their balanced detection. The correlation measurement, in fact, is made hard because one has to separe
two beams sharing the same polarization and having very close frequencies. The problem has been solved by an
original technique based on a high efficiency diffraction grating.. Such a grating is able to diffract more than
90% of incident radiation on the first order. The realized set-up represents the first experimental realization of a
non classical source of frequency tunable beams, and, surely, it contributes to enlarge the application scenario
of such a device towards very high sensitivity measurements.
Following the study of the non-classical properties of an OPO, our group has developed also a theorical work
that aims to the detailed analysis of the dynamics of the system, making possible to correctly analyse the
experimental behaviour of the noise either on the twin beam intensity difference either on the single beam of the
two generated by the OPO. The study, born from the experimental analysis of a KTP-based OPO, conduced
during 2000, pointed out the role of the different noise sources in the composition of the radiation spectrum
emitted by an OPO. In particular has been studied the role of the excess noise of the pumping laser and the role
of the detuning; that is, of the non perfect resonance of the optical cavity. The results of this study have been
either published (they will appear within few time, on Applied Physics B), and communicated during an
international congress.
During the 2001, the group has ended a first experiment on homodyne tomography.. This experiment, that can
be considered preliminary, has seen the reconstruction of the Wigner function of a coherent state of the
radiation. The tomographic system is based on the acquisition of a huge number of homodyne data, such to
constitute a valid statistical set of the distribution of the quadrature field vs. its phase. From those data, with
sophisticated numerical techniques, it is possible to retrieve the informations about the density matrix of the
state under measurement, and so to reconstruct its Wigner function. The experimental set up used in this first
experiment is now mounted to measure the Wigner function of a vacuum squeezed state. Such a state is produced
by a degenerate OPO working below threshold. The work on tomography is carried out in collaboration with the
Quantum Optics group of the Pavia University.
In this line of work we have to mention also the collaboration of Dr. Porzio with the group of Prof. Kumar, of
the ECE Departement, of the Northwestern University (Evanston, IL USA).
- Plane and parallel mirrors cavity, for high sensitivity measurements
The group is coworking with the INFN of Pisa for the realization of a Fabry-Perot interferometer with plane
parallel mirrors, able to measure the thermal noise of a suspended mirror. The suspended cavity is inserted on
the so-called super attenuator, a prototype of the suspensions used in the VIRGO interferometer for the
revelation of the gravitational waves. Within this collaboration, the group has worked at the frequency
stabilization of the laser source, at the mounting of the optical devices in situ, i.e. on a suspended platform put
241
near the super attenuator, and at the first locking measurements of the suspended cavity. At the moment is in
phase of realization the whole measurement device. A theorical study, concerning the interaction between the
thermal modes of the mirror and the radiation present in the cavity, is moreover in act to be able to foreseen in
detail the behaviour of the system.
- Properties of the fluorescence radiation in the laser cooling processes
The group deals, by means of theoretical studies, with the description of systems of trapped ions. In particular it
is facing to the possibility to drive the dynamics of these ions by means of appropriate combinations of laser
beams. The control of the dynamics of such a system is of fundamental importance for the development of the
investigation techniques of the fluorescence radiation properties and the quantum characters of the states so
generated.
Trapped ion chains are of interest in view of the studying of the so called "quantum computer".
2002 Program
During 2002, we plan to continue the characterization and study of the continuous wave OPO's realized during
last years. The twin beams, produced above the oscillation threshold, will be employed in the study of a quantum
cryptography protocol using the correlation properties of the latter states.
Furthermore, it will be implemented a tool for tomographic measurements of the quantum state of the radiation
produced below the oscillation threshold. In the latter condition, an OPO is able to produce a markedly
quantistic state of the field. In such a way it will be possible, starting from the Wigner function reconstruction, to
deduce the transformation a state undergoes along its optical path. To obtain reliable data, it is necessary to
reduce the detection electronic noise to very low levels. Moreover, one shall pay care to accurately set up the
optical layout to warrant a very high total detection efficiency.
Furthermore, it will followed either the collaboration with the INFN in Pisa for the studying of the thermal noise
of a suspended mirror either the research about trapped ions.
Pubblicazioni 2001
5. A. Porzio, A. Chiummo, F. Sciarrino and S. Solimeno; "Twin-beams statistics for strong pumping";
Zeitschrift für Naturforschung 56a:224-227 (2001);
6. A. Porzio, F. Sciarrino, A. Chiummo, M. Fiorentino and S. Solimeno; "Twin beams correlation and single
beam noise for triply resonant KTP OPOs"; Optics Communications 194:373-379 (2001);
7. A. Porzio, C. Altucci, M. Autiero, A. Chiummo, C. De Lisio and S. Solimeno; “Tunable twin beams
generated by a type-I LNB OPO”; Applied Physics B 73:763-766 (2001).
−
−
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S. Solimeno è presidente Consiglio Scientifico - Istituto Fisica Atomica e Molecolare del CNR, Pisa
S. Solimeno è Membro del Consiglio Scientifico - Journal of Physics B, Atomic and Optical Physics
S. Solimeno è referee per le seguenti riviste internazionali:
a. J. Phys. B
b. IEEE J. Quantum Electronics
c. Journal of Optics B
A.Porzio è referee per le seguenti riviste internazionali:
a. Journal of Optics B
b. Optical Society of America (OSA) Journals
1. A. Porzio, and S. Solimeno "Position measurement of a suspended cavity mirror undergoing Brownian
motion" presented to the Sixth international Conference on Squeezed States and Uncertainty Relations
Napoli May '99 in fase di stampa (per un errore della NASA che aveva in stampa il volume il contributo
uscirà sui proceedings della VII Conferenza della serie tenutasi a Boston nel Giugno del 2001)
2. A. Porzio, A. Chiummo and S. Solimeno “Intensity difference correlation and single beam noise in a triply
resonant type-II OPO” presented to the Seventh International Conference on Squeezed States and
Uncertainty Relations, Boston June 2001
3. A. Porzio, C. Altucci, M. Autiero, A. Chiummo, C. de Lisio, and S. Solimeno, “Tunable twin beams
generated by a type-I LNB OPO”, presented to the Seventh International Conference on Squeezed States and
Uncertainty Relations, Boston June 2001
242
TECNICHE DI SPETTROSCOPIA LASER ED APPLICAZIONE ALLA FISICA
DELL' ATMOSFERA
M. Armenante*, A. Boselli, L. D'Avino, N. Spinelli, R. Velotta, X. Wang
Attività 2001
L'attività del gruppo si è svolta prevalentemente nell'ambito del progetto europeo
EARLINET, con l'obiettivo di ottenere una analisi statisticamente significativa della
distribuzione verticale ed orizzontale degli aerosoli atmosferici su scala europea per mezzo di
una rete di stazioni di remote sensing laser e l'uso di dei dati cos' ottenuti per studi relativi
all'influenza degli aerosoli su una serie di problemi ambientali. I principali obiettivi raggiunti
nel periodo in considerazione hanno riguardato il completamento del Work Package "Quality
assurance", l'operatività della rete e l'avvio dell'analisi dei dati.
Il controllo della qualità dei dati è stato completato con successo, come documentato in
dettaglio nel report ufficiale. E' in fase di completamento per quanto riguarda il confronto
degli algoritmi per la determinazione del coefficiente di estinzione.
Le misure programmate su base regolare sono proseguite con eccellenti risultati. Oltre al data
set di dati climatologici, di particolare rilievo per lo studio dei processi associati sono stati
l'osservazione di eventi speciali di eventi di produzione di polveri Sahariane e gli studi del
ciclo diurno.
Sono state ricavate proprietà di base come lo spessore ottico di strati selezionati, i profili medi
di backscattering ed estinzione e l'altezza dello stato limite planetario. Sono inoltre state
determinate le distribuzioni statistiche del rapporto estinzione su backscattering, un parametro
importante per la caratterizzazione degli aerosoli e per le future applicazioni ad apparati lidar
spaziali.
Gli studi degli eventi di produzione di polveri sahariane sono stati eseguiti per alcuni casi
selezionati, ma il numero di eventi osservati con gli apparati lidar è aumentato
significativamente in modo tale da consentire un'analisi statistica.
È stato fortemente esteso il set di dati per lo studio del ciclo diurno della distribuzione degli
aerosoli e dei processi che la controllano. Inoltre è progredito lo sviluppo di metodi per la
determinazione dei parametri microfisici a partire dalla misure lidar. Sono ora disponibili
algoritmi che sono stati usati con successo per l'inversione di selezionati insiemi di dati. È in
corso l'attività relativa alla determinazione dei requisiti minimi per l'inversione in condizioni
standard.
Programma 2002
a) All'interno del progetto europeo EARLINET proseguirà l'attività di caratterizzazione
su scala continentale delle proprietà ottiche degli aerosoli atmosferici. L'obiettivo del
progetto è la creazione di un data base relativo alle proprietà ottiche degli aerosoli,
significativo su scala continentale e su una scala temporale sufficientemente ampia da
mettere in luce gli effetti sul clima. Nel prossimo anno proseguirà il lavoro di
acquisizione di dati relativi alle misure programmate , scadenzate su base regolare, che
quelle relative agli eventi speciali. Particolare enfasi sarà posta all'interpretazione dei
dati in termini del carico aerosolico, alla identificazione delle sorgenti, allo studio dei
fenomeni di trasporto a grande range, ed alla valutazione dell'impatto delle polveri
Sahariane nelle regioni mediterranee e nelle altre regioni europee.
b) Ci proponiamo di ottenere una valutazione quantitativa dell’effetto dello scattering
multiplo sui fotoni retrodiffusi dall'atmosfera dotando il sistema lidar esistente di una
243
camera CCD intensificata. A tal fine, attraverso un sistema di imaging ad alta
risoluzione temporale, si determinerà la distribuzione spaziale dell’intensità del
segnale ottico nel piano focale del telescopio di ricezione. La quale è determinata
dall’osservazione simultanea del segnale lidar per tutti gli angoli di apertura, compresi
tra quello corrispondente alla risoluzione spaziale e quello corrispondente all'apertura
massima del sistema di imaging.
c) Il nostro gruppo di ricerca ricopre un ruolo fondamentale nello sviluppo del prototipo
di lidar mobile multicanale previsto dal progetto LAPMI approvato nell'ambito del
PON (Piano di Ricerca Nazionale). Tale progetto si inserisce in un programma di
ricerca europeo (programma EUREKA), nel quale varie istituzioni europee sono
impegnate per lo studio e lo sviluppo di tecniche di monitoraggio dell’inquinamento
atmosferico da particolato.
Our activity developed mainly within the Europen project EARLINET with the aim to establish a comprehensive
and quantitative statistical data base of the horizontal and vertical distribution of aerosols on the European
scale using a network of advanced laser remote sensing stations, and the use of these data for studies related to
the impact of aerosols on a variety of environmental problems. The main objectives for the reporting period
were to complete data quality assurance, to operate the network, to establish a common data base, and to start
data analysis.
The quality assessment has been completed with good success, as documented in detail in a specia quality
assessment report. An additional action has been launched and almost completed regarding the intercomparison
of extinction retrieval algorithms. The regularly scheduled measurements have been continued in a very
satisfactory way. Besides the climatologic data set the special observations on Saharan dust outbreaks and on
studies of the diurnal cycle are highly valuable and unique material for studies of the associated processes.
Basic properties like aerosol optical depth for selected layers, mean backscatter and ex-tinction profiles and the
boundary layer height have been be derived. It is also possible to derive distribution functions and the annual
cycle for these parameters. Statistical distributions for the extinction to backscatter ratio have been derived, a
quantity that is important both for aerosol characterization and for future retrievals from spaceborne
backscatter lidars. Studies of Saharan dust outbreaks have been performed on the basis of selected cases, but the
number of events with associated lidar measurements has increased substantially so that statistical
investigations become possible as well.
The data set for studies of the diurnal cycle of the aerosol distribution and controlling processes
has been greatly extended. The development of methods to retrieve microphysical aerosol parameters from lidar
observations has made very good progress. Algorithms are available that have been used successfully for the
inversion of selected data sets. Studies are being performed regarding the minimum requirements for a standard
microphysical inversion.
2002 Program
a) Within European project EARLINET we will continue the activity of characterization of optical properties of
atmospheric aerosols on continental scale.The next year of the current project will see continuous efforts to
increase the data base by both regularly scheduled and special measurements. Particular emphasis will be
put on data interpretation in terms of the quantification of the aerosol load in different areas, identification
of source regions, studies of long range transport and Saharan dust impact in the Mediterranean and other
European regions.
b) By means of an intensified CCD camera the existing lidar system will be equipped for the analysis of
multiple scattering (MS) in atmosphere. We propose to obtain a quantitative evaluation of MS effect on lidar
measurements by examining the spatial distribution of the optical signal intensity in the focal plane of the
telescope, by means of a high temporal resolution imaging system. The obtained distribution corresponds to
simultaneous observation of the lidar signal for all the aperture angles included between the angles
corresponding to the spatial resolution and the maximum aperture of the imaging system.
c) Our group has a key role in the prototype development of a multichannel mobile Lidar, which is the aim of
the LAPMI project approved within the National Operative Plan. Such a project is part of an European
Research Project (EUREKA Program), in which several institutions are committed to study and develop
monitoring techniques for particulate atmospheric pollution.
244
Pubblicazioni 2001
1. Boeckmann, C., Wandinger, U., Ansmann, A., B¨ osenberg, J., Amiridis, V., Boselli, A., Delaval, A.,
Tomasi,F. D., Frioud, M., Iarlori, M., Komguem, L., Kreipl, S., Larcheveque, G., Matthias, V., Papayannis,
A., Rocadenbosch, F., Schneider, J., Shcherbakov, V., and Wiegner, M. EARLINET-Lidar Algorithm
Intercomparison. Journal of Aerosol Science, 32:433–434 (2001)
2. Matthias, V., Boesenberg, J., Freudenthaler, V., Amodeo, A., Balis, D., Chourdakis, G., Comeron, A.,
Delavel, A., Tomasi, F. D., Eixmann, R., A. H° ag° ard, A. H., Kreipl, S., Matthey, R., Mattis, I., Rizi, V.,
and Wang, XIntercomparison of 15 aerosol lidar systems in the frame of EARLINET. Journal of Aerosol
Science, 32:397–398. (2001)
3. Papayannis, A., Boselli, A., Calpini, B., Chaikovsky, A., Chourdakis, G., Cuomo, V., Frioux, M., Iarlori, M.,
Kreipl, S., Larcheveque, G., Matthey, R., Pappalardo, G., Pelon, J., Perrone, M., Rizi, V., Rocadenbosch, F.,
Sauvage, V., Sobolewski, P., Soriano, C., Spinelli, N., Tomasi, F. D., Amoiridis, V., Balis, D., and Trickl, T.
Simultaneous observations of free tropospheric Saharan dust layers over Europe monitored by a co-ordinated
ground-based lidar network in frame of the EARLINET project. Journal of Aerosol Science, 32:389–390
(2001).
- Boesenberg, J., Ansmann, A., Baldasano, J., Balis, D., Boeckmann, C., Calpini, B., Chaikovsky, A.,
Flamant,P., H° ag° ard, A., Mitev, V., Papayannis, A., Pelon, J., Resendes, D., Schneider, J., Spinelli, N.,
Vaughan, T.T. G., Visconti, G., and Wiegner, M. (2000). EARLINET: A European Aerosol Research Lidar
Network. In Dabas, A., Loth, C., and Pelon, J., editors, Laser Remote Sensing of the Atmosphere. Selected
Papers of the 20 International Laser Radar Conference, pages 155–158. Edition Ecole Polytechnique,
Palaiseau.
PLASMI IN FISICA ATOMICA
S. Amoruso*, M. Armenante*, R. Bruzzese, N. Spinelli, R. Velotta, X. Wang*
Attività 2001
La diagnostica di plumi generati da laser nelle tipiche condizioni sperimentali che
caratterizzano la deposizione di film sottili è stata applicata nel caso di un materiale
attualmente di enorme interesse sia dal punto di vista della fisica di base che per le sue
possibili applicazioni nel campo dei materiali superconduttori ad alta Tc, l’ MgB2. La
spettroscopia ottica risolta nello spazio ed in tempo della piuma emessa da bersagli del
campione in studio ha permesso di comprendere i meccanismi a livello di fisica microscopica
che rendono necessario l’utilizzo di un gas tampone, a specifiche pressioni, per ottenere film
sottili di MgB2 di buona qualità. Le informazioni ottenute sono state utilizzate con successo
per l’ottimizzazione dei parametri di deposizione del materiale superconduttore da un gruppo
dell’Università di Genova con cui è attiva una intensa collaborazione da più di due anni.
Nell'ambito di una collaborazione con ricercatori dell'Imperial College di Londra è stata
studiata la generazione di armoniche in molecole allineate. Le molecole sono allineate
mediante un fascio laser della durata di circa 300 ps mentre l'interazione con un secondo
impulso laser della durata di 70 fs permette la generazione di armoniche di ordine superiore
(HHG). È stato misurato il rapporto R fra la 9° armonica in CS2, H2 e N2 prodotta con e senza
il fascio laser allineante, trovando che i) nelle molecole di CS2 la HHG era favorita
indipendentemente dall'angolo fra le due polarizzazioni ii) nelle molecole di H2 non c'è
nessun effetto del fascio allineante a causa del trascurabile effetto di allineamento, iii) nelle
molecole di N2 la polarizzazione incrociata riduce la HHG mentre nessun effetto è
riscontrabile se le polarizzazioni sono parallele. Abbiamo suggerito la possibilità di spiegare
tali risultati ammettendo che la fase del dipolo emettitore delle armoniche sia dipendente
245
dall'orientazione di quest'ultimo rispetto al campo elettrico della radiazione fondamentale.
Programma 2002
Sono attualmente in via di implementazione misure sulla componente carica della piuma
emessa nel processo di ablazione via laser dell’ MgB2, al fine di ottenere informazioni
complementari a quelle fornite dalla spettroscopia ottica. E’ stato, inoltre, già effettuato un
esperimento di fattibilità per estendere al regime temporale dei fs lo studio del processo di
ablazione laser dello stesso materiale, e si intende condurre a termine nel dettaglio l’analisi
intrapresa.
Proseguirà anche la collaborazione con ricercatori dell'Imperial College di Londra su
esperimenti riguardanti la generazione di armoniche in molecole allineate. In particolare, sarà
tentato l'allineamento di molecole complesse mediante luce polarizzata, cercando di mettere
in luce il ruolo della fase del dipolo emettitore.
We have carried out an extensive analysis of plumes produced by laser ablation in experimental conditions
typical of thin film deposition. Optical spectroscopy has been applied to plasma plumes generated from MgB2, a
recently discovered superconducting material of great basic and technological interest. In particular, spaceand time-integrated optical emission spectroscopy has allowed us to understand the elementary physical
mechanisms underlying the beneficial effect of a buffer gas to deposit thin films of good quality of this material.
The experimental findings of our analysis have then been of great interest to optimise the parameters of the
deposition process of MgB2 carried out by a group at the University of Genova, with which we have a
longstanding collaboration.
Within a collaboration with researchers at Imperial College of London it has been studied harmonic generation
in aligned molecules. The molecules are aligned by means of a laser pulse whose length is approximately 300 ps
while the interaction with a second laser pulse whose length is 70 fs allows the generation of high order
harmonics (HHG). It has been measured the ratio between the 9th harmonic in CS2, H2 and N2 produced with
and without the aligning laser pulse. We found that i) in CS2 molecules the HHG was enhanced independently on
the angle between the two polarizations; ii) in H2 molecules there is no effect of the aligning beam because of the
negligible effect of alignment; iii) in N2 molecules the crossed polarization reduces the HHG while no effect is
found if the polarizations are parallels. We have suggested the possibility to explain such results by considering
that the phase of the emitter dipole of the harmonic is dependent on the direction between molecular axis and the
fundamental electric field.
2002 Program
We are presently implementing measurements aimed to the analysis of the charged component of laser
produced MgB2 plumes. This will provide complementary information of the process with respect to optical
emission spectroscopy. We have also recently started experiments on femtosecond laser ablation of the same
material, and this analysis will thoroughly be carried out.
Further experiments on high order harmonic generation in aligned molecules are planned in collaboration with
researchers at Imperial College. In particular, we will try to align complex molecules through polarized light
with the aim to evidence the role of emitter dipole phase.
Pubblicazioni 2001
1.
R. Velotta, N. Hay, M.B. Mason, J. Marangos, High-order harmonic generation in aligned molecules,
Phys. Rev. Lett., 87, 183901 (2001).
246
SUPERCONDUTTIVITÀ
FISICA DI SUPERCONDUTTORI IN REGIME STAZIONARIO E NON
STAZIONARIO
A. Barone, L. Parlato*, G. Peluso, G. Pepe, A. Ruosi*, M. Valentino*
Attività 2001
Nel corso del 2001 è proseguito lo studio teorico e sperimentale dei superconduttori
convenzionali e non convenzionali in regime di non equilibrio. Sono state impiegate
giunzioni tunnel Josephson di altissima qualità basate sulla tecnologia del niobio e strutture a
tre terminali costituite da due giunzioni sovrapposte aventi come elettrodo intermedio un film
di Nb/Al. Lo stato di non equilibrio è stato ottenuto creando un eccesso di quasi-particelle in
uno degli elettrodi della giunzione e rivelato misurando la conseguente variazione della
corrente di tunnel nella stessa giunzione. Nel caso di giunzioni tunnel Josephson singole
l'eccesso di quasi particelle può essere realizzato irraggiando uno degli elettrodi mediante
raggi X o radiazione ottica mentre nel caso di strutture a tre terminali una giunzione si
comporta come iniettore di quasi-particelle nell’elettrodo intermedio e l’altra come rivelatore.
Le strutture a tre terminali sono state fabbricate mediante un processo whole-wafer
opportunamente modificato a partire da quello sviluppato per l’elettronica superconduttiva di
altissima qualità. Il multi-layer Nb(150nm)/AlxOy/Nb(40nm)-Al (20-30 nm)/AlxOy/Nb(40
nm) è stato depositato su un substrato di silicio mediante tecniche di sputtering (dcmagnetron) in un sistema di ultra alto vuoto alla pressione di base 10-8 Torr senza rompere il
vuoto. Le barriere tunnel AlxOy sono state realizzate mediante ossidazione termica in
atmosfera di ossigeno. Per la definizione dell'area delle giunzioni sono state utilizzate
tecniche fotolitografiche standard, processi di lift-off, attacchi chimici selettivi e la
deposizione di film isolanti. Le giunzioni inferiori hanno una geometria di tipo isola mentre
quelle superiori di tipo a finestra, l'area è compresa fra 5x5 µm2 e 100x100 µm2. I campioni
realizzati sono stati caratterizzati in un criostato schermato a T=4.2 K misurando la
caratteristica I-V. Le giunzioni inferiori presentano fattori di qualità fino a 65 mV a T=4.2 K e
una densità di corrente pari a 70 A/cm2. Le proprietà elettroniche delle giunzioni superiori
sono tuttavia fortemente influenzate dall'effetto prossimità fra il Nb e l'Al dell'elettrodo
intermedio. Infatti, la tensione corrispondente alla somma delle energie di gap è stata misurata
circa 2.3 mV mentre una struttura nella caratteristica I-V corrispondente alla differenza delle
energie di gap dei due elettrodi. Inoltre, i campioni realizzati sono stati utilizzati per studiare
il comportamento di una giunzione Josephson, sotto l'influenza di una perturbazione
elettronica (impulso di corrente) iniettata dall'altra giunzione. In particolare la giunzione
"rivelatore" è stata polarizzata a tensione V=0 (stato Josephson) ad una corrente inferiore
della corrente critica ed è stato studiato il passaggio allo stato a tensione finita e viceversa in
seguito all'iniezione indotta ai capi dell'altra giunzione. Una chiara correlazione è stata
osservata fra la tensione del rivelatore e l'impulso iniettato al variare dell'ampiezza
dell'impulso. Per quest'ultimo è stato individuato un intervallo di valori per cui il dispositivo
ha caratteristiche di tipo flip-flop, ossia per ogni impulso iniettato c'è una commutazione dallo
stato Josephson allo stato dissipativo.
Sono stati studiati mediante magnetometria SQUID i danneggiamenti da impatto a bassa
energia (<12 Joule) su materiali compositi in fibra di carbonio impiegati in costruzioni
aeronautiche. Lo studio ha consentito di determinare impatti ad energia dell'ordine di 1 Joule
su campioni con spessore compreso tra 1 e 4 mm. In tale studio appare possibile una
247
correlazione tra l'andamento della onda magnetica riflessa dal materiale e l'energia di impatto.
Tale correlazione mette in evidenza l'esistenza di almeno due regimi di danneggiamento: il
primo connesso con la compressione elastica delle fibre o comunque con un danneggiamento
di bassa entità, osservabile per impatti inferiori a 8 Joule, ed un secondo di tipo distruttivo in
cui gli strati di fibre sono danneggiati in profondità dando luogo a delaminazioni interne al
materiale. Tali risultati sono stati ottenuti mediante analisi di magnetometria SQUID
indagando la superficie del materiale con un'opportuna onda elettromagnetica eccitata a
frequenze variabili tra 1 e 25 Khz. A tale scopo è stata progettata un'opportuna bobina di
eccitazione del campo con un diametro di 4 mm atta ad ottimizzare la risposta all'onda riflessa
dal materiale. L'analisi è stata condotta utilizzando magnetometri SQUID orientati sia lungo
l'asse verticale (Bz) che paralleli al piano (Bx e By). Tali misure hanno altresì messo in
evidenza la bassa conducibilità di tali materiali confrontata con quella delle leghe di
alluminio. Dai dati possiamo stimare un fattore 100 in meno rispetto ad uno standard in
alluminio con conducibilità pari a 25MS/m, tale valore è consistente con quanto viene
generalmente riportato in letteratura. Sono state realizzate delle misure preliminari, mediante
magnetometria SQUID, su materiali in acciaio sinterizzato allo scopo di evidenziare la
presenza di porosità disperse. Tali misure hanno messo in evidenza la possibilità di indagare
tali materiali mediante iniezione di corrente ad opportuna frequenza. Resta da correlare
l'estensione ed intensità del pattern magnetico ottenuto con le caratteristiche delle inclusioni o
porosità disperse nel materiale.
Varie configurazioni di giunzioni Josephson ad alta temperatura critica (HTS) sono realizzate
sulla base della tecnica biepitassiale. La tecnica biepitassiale è basata sulle diverse crescite
dell’YBCO sul subtrato (nel nostro caso SrTiO3) e su un sottile strato di un film sottile di
materiale diverso (seed layer, nel nostro caso MgO e CeO2). La possibilità di definire il bodo
di grano tramite processi di fotolitografia consente una notevole flessibilità sia a livello
applicativo che per studi di base. Dispositivi più complicati (quali ad esempio SQUID) sono
stati anche realizzati. Scopo dell’attività è duplice. Da una parte lo studio dell’effetto
Josephson consente di indagare in maniera innovativa le proprietà fondamentali dei
superconduttori, e la fisica della barriera in giunzioni HTS. Dall’altra i dispositivi ad HTS
potenzialmente sono alla base di dispositivi elettronici complessi con caratteristiche che sono
fondamentalmente basati sulla fisica dei processi coerenti quantistici. In tal senso siamo
impegnati nel processo di fabbricazione e caratterizzazione di giunzioni di tipo “0 “ e “π” che
consentono di studiare la formazione di correnti spontaneee in loops con giunzioni Josephson,
e la possibilità dell’esistenza di uno stato bistabile degenere, richiesto nel qubit.
Programma 2002
L'attività dell'Unità di ricerca nel corso del 2002 sarà finalizzata alla realizzazione e
caratterizzare di dispositivi tunnel superconduttivi basati anche su materiali non convenzionali
che assicurino un'elevata efficienza di conversione dell'energia assorbita dalla radiazione in
eccitazioni prodotte. I materiali considerati possono sia costituire l'elettrodo assorbitore di
singole giunzioni tunnel (S-I-S, S-I-N-S), sia essere impiegati in strutture a tre-terminali
realizzate mediante due giunzioni Josephson sovrapposte con elettrodo intermedio comune
(S-I-S-S'-I-S, S-I-S-N-I-S).Tali dispositivi, particolarmente versatili in differenti
configurazioni di misura, saranno fabbricati e caratterizzati sia in qualità di sensori che come
stadi di preamplificazione criogenica di piccoli segnali a basso rumore e a bassa potenza
dissipata da integrare con i tradizionali rivelatori. Per la realizzazione dei film e dei dispositivi
superconduttivi completi saranno impiegate tecniche di deposizione mediante magnetron
sputtering su opportuni substrati mantenuti a temperatura controllata, tecniche fotolitografiche
con la risoluzione del micron, e attacchi chimici selettivi (Reactive Ion Etching). La
248
deposizione di films sottili avverrà in sistemi UHV necessari per l'estrema sensibilità delle
proprietà superconduttive alla quantità di impurezze intrappolate nel processo di deposizione
stesso. I film realizzati saranno caratterizzati in termini delle loro proprietà morfologiche,
elettriche e
superconduttive utilizzando tecniche di analisi mediante raggi X, misure di
resistività a differenti temperature e della temperatura di transizione alla fase superconduttiva.
Verranno quindi studiati e realizzati nuovi processi alternativi per la fabbricazione di
dispositivi tunnel impieganti i materiali superconduttori non convenzionali realizzati. Tali
dispositivi verranno elettronicamente caratterizzati in termini di curve corrente-tensione a
differenti temperature (comprese tra 0.3K e 4.2 K) e di andamento della corrente Josephson in
presenza di un campo magnetico esterno. Tutte le misure saranno effettuate in ambiente
schermato utilizzando un'idonea elettronica a basso rumore. I campioni saranno inizialmente
caratterizzati in regime di equilibrio al fine di verificare la qualità dei dispositivi e la
riproducibilità del processo di fabbricazione; quindi si procederà ad una caratterizzazione dei
dispositivi in condizioni di non equilibrio prodotto sia da iniezione elettronica sia da
irraggiamento laser. Entrambi possono essere considerati metodi accurati d'indagine per lo
studio dei tempi di rilassamento in gioco e la comprensione dei meccanismi di scattering tra le
varie eccitazioni elementari (quasiparticelle, coppie di Cooper, fononi) presenti in un
superconduttore in regime di non equilibrio. Il controllo sia dell'energia sia della durata della
perturbazione ottica dà la possibilità di discriminare il contributo legato direttamente allo stato
di non equilibrio da quello puramente termico. Per questo tipo di misure verrà messo a punto
un inserto criogenico munito di fibra ottica ed un criostato munito di finestra ottica. Per i
dispositivi a tre-terminali impieganti giunzioni tunnel sovrapposte saranno infine studiate le
previste potenzialità di operare come amplificatori ad alto guadagno in corrente, a bassa
potenza dissipata, con eccellente isolamento ingresso uscita e la loro capacità di funzionare, a
temperature criogeniche, in maniera integrata con altri circuiti elettronici. In particolare
verranno realizzati e caratterizzati dispositivi avente come elettrodo intermedio un bilayer
costituito da due metalli di cui uno superconduttore. La scelta del secondo metallo e le
caratteristiche dell'interfaccia fra i due determinano il regime di funzionamento del
dispositivo. Se il secondo metallo è un superconduttore avente temperatura critica molto più
bassa del primo o è un metallo normale e l'interfaccia realizzata è molto pulita, con fattori di
trasmissione prossimi ad uno, le proprietà del sistema sono legate alla superconduttività
indotta per prossimità e si ottiene un'amplificazione in corrente legata al rapporto tra le gap
nello spettro di energia delle quasi particelle presenti nei due materiali costituenti il bilayer.
Se si riduce la trasmissione della barriera in maniera tale da indebolire la superconduttività
indotta per prossimità e si opera a temperature opportune si possono ottenere fattori di
amplificazione relativamente alti dovuti all'effetto di trapping delle quasi particelle. Fattori di
amplificazione ancora più alti possono essere realizzati impiegando metalli normali e
riducendo a zero l'effetto della prossimità ad esempio mediante un opportuno campo
magnetico. Le caratteristiche elettroniche dei dispositivi considerati verranno studiate al
variare dei materiali costituenti l'elettrodo intermedio in funzione del loro spessore e del
fattore di trasmissione all'interfaccia. Saranno infine studiate le proprietà di switching in due
giunzioni interagenti in configurazione stacked sia in relazione ai nuovi fenomeni
elettromagnetici coinvolti, sia per la grande varietà di potenziali applicazioni nel campo dei
rivelatori di radiazione o di nuovi dispositivi superconduttivi.
Per il 2002 la ricerca riguardante le analisi non distruttive mediante magnetometria SQUID
con tecniche elettromagnetiche continuerà nello studio dei materiali compositi tipo CFRP. In
questo contesto saranno analizzate le correlazioni tra segnale magnetico e profondità del
difetto di delaminazione. Inoltre saranno progettati dei magnetometri SQUID ad alta
risoluzione spaziale, 100 micron, e delle opportune sorgenti di eccitazione da accoppiare ai
magnetometri. Con questi sensori ad alta risoluzione saranno analizzati i compositi metallici e
249
non metallici utilizzati nella costruzione delle camere di scoppio dei motori di aereo per la
localizzazione delle porosità nel materiale e delle inclusioni magnetiche.
Ci si propone di indagare in dettaglio le proprietà anisotrope delle giunzioni biepitassiali, in
particolare di indagare la dipendenza della corrente critica Josephson dall’angolo
dell’interfaccia della barriera del bordo di grano rispetto agli elettrodi. Tale studio consente
tra l’altro di valutare gli effetti indotti dal parametro d’ordine non convenzionale sulle
proprietà delle giunzioni. Inoltre sono in programma studi sulla presenza di correnti spontanee
e di stati doppiamente degeneri la cui esistenza è basata sulla natura d-wave del parametro
d’ordine. Tali analisi sono cruciali per qualsiasi sviluppo della circuistica di tipo.
In 2001 the research activity was devoted to the theoretical and experimental investigation of both conventional
and non-conventional superconductors in non equilibrium regime. Josephson Superconducting Tunnel Junctions
(STJ) of very high quality based on the Nb technology and three-terminal super conducting devices consisting of
two stacked junctions with Nb/Al intermediate electrode have been tested. The non-equilibrium regime was
realized by an excess of quasiparticles in one of two electrodes and detected by the change of the tunnelling
current across the barrier. In the case of single Josephson junctions the excess of quasiparticles was created by
X-ray or optical irradiation of the superconductor constituting one electrode, whereas in tree-terminal
structures one junction acts as quasiparticles injector into the intermediate electrode and the other as detector.
Stacked devices have been fabricated by using a suitable modification of a whole-wafer process developed for
high-quality superconducting electronics. The structure Nb(150nm)/AlxOy/- Nb(40nm)-Al(20 or 30
nm)/AlxOy/Nb(40 nm) was deposited on a Si-crystalline wafer by dc-magnetron sputtering in a ultra-high
vacuum system at a base pressure of 10-8 Torr, without breaking the vacuum. The AlxOy tunnel barriers were
obtained by Al thermal oxidation in pure oxygen gas. Standard photholitographic technique including lift-off
process, dry and chemical etching processes, anodic oxide layer deposition have been employed. The bottom
junctions have an island-type geometry whereas the top is a window-type junction, the area range from 5x5
to100x100 µm2 . The devices were characterized in a liquid 4He cryostat with a local -metal shielding
measuring the I-V curves. To what concerns the bottom junctions, high quality factors Vm up to 65 mV at T=4.2
K and Josephson current density about 70 A/cm2 were measured. On the other hand, the electronic properties of
the top junctions were strongly influenced by the proximity coupling between Nb and Al in the intermediate
electrode. The sum gap voltage was about 2.3 mV, and a step-like structure due to the difference in the energy
gaps of the two electrodes at V=0.70 mV was measured. Indeed the effects induced by electronic pulses injected
into the intermediate electrode by one of the two junctions (injector) are measured by looking at modifications of
the current-voltage I-V characteristic of the other junction (detector). For amplitude in a suitable range the
devices shows a flip-flop type logic characteristic, i.e., commutes, for each pulse across the injector, between the
two states: the pair tunneling state, in which the current flows through the barrier without any voltage drop
(V=0), and the quasiparticle tunneling state at finite voltages (V≈2 in a symmetrical junction).
The research concern the study of mechanical and electrical properties of composite material under mechanical
stress, such Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) used in the aeronautical industry. This material shows an
electrical conductivity of 20-40KS/m, besides a metallic alloy ranging between 30-50MS/m. For this reason it is
very difficult to analyze this material with electromagnetic techniques for frequencies less than 1MHz. This
involve that with a standard electromagnetic analysis only few micron of depth of the sample can be
monitored.The low velocity impact damage, less than 12J, has been studied on CFRP material. The experimental
setup enable us to detect impact obtained with energy of 1 Joule by using SQUID magnetometer coupled with a
source of electromagnetic field. The magnetic signal detected by the SQUID is due to the eddy current induced
on the sample. We have studied the correlation between the impact energy and the magnetic signal detected by
the SQUID magnetometer on sample of different thickness ranging between 1 and 4mm.. The magnetic field
versus the impact energy shows two different behavior. The first for impact energy less than 8 Joule due to the
elastic compression of the fiber. For impact energy more intensive we observe the damage due to the
delamination of the deep ply (layer) inside the sample. This results have been obtained by using an excitation
coil of 4mm of diameter. Where the electromagnetic field ranging between 1 and 25 kHz The measure have
been obtained with the SQUID magnetometer oriented along the z, x and y components of the magnetic field.
Measure of detection of magnetic inclusion (less than 1mg) have been performed on steel used for aircraft
engine. The goal was the detection of magnetic inclusion and porosity of the material. Preliminary measure
shows the possibility to detect both the magnetic inclusion that the porosity by using injection current inside the
sample.
Various different configurations of HTc Josephson junctions are routinely fabricated, resorting to several
250
original modifications of the biepitaxial technique. A YBCO film is grown on vicinal (110) SrTiO3 substrate,
partially covered by a CeO2 seed layer. A single-domain (103) YBCO film is obtained on the bare substrate;
(001) orientation is instead promoted on the seed layer. The artificial GB structure is quite complex; its
properties depend on the orientation of YBCO on the two sides, and on the direction of the GB plane. Such
direction is defined by the photolitographic process, thus leading to a great intrinsic fabrication flexibility. This
allowed us to study the Josephson properties of junctions that differ one from each other for the orientations of
the d-wave wave functions in the electrodes, and with respect to the barrier. More complex devices (such as
SQUIDs) are also considered. The aim of this activity is twofold. On one hand, the investigation of the
Josephson effect allows one to get unique insight in the fundamental superconducting properties of materials,
and on the physics of the barriers. Moreover, HTc Josephson devices may be the basic unit of complex electronic
devices with characteristics that are fundamentally based on the physics of coherent quantum processes. In this
field, we are involved in the fabrication of “0” and “π” junctions, allowing us to study spontaneous currents
phenomena in Josephson loops, Josephson frustration, and possibly 2-states quantum devices (qubits).
2002 Program
The research activity during 2002 will be devoted to the fabrication and characterization of superconducting
tunnel devices based on non conventional materials which ensure high efficiency of the energy absorbed to
produce excitations. These materials could work both as absorber in single tunnel junctions (S-I-S, S-I-N-S) and
employed in three-terminals devices based on two stacked Josephson junctions with common intermediate
electrode (S-I-S-S'-I-S, S-I-S-N-I-S). Three-terminals devices, in different measurement configurations, will be
fabricated and characterized both as sensors and as cryogenic pre-amplifiers of little signals at low noise and at
low dissipated power with the possibility of being integrated with conventional detectors. Superconducting films
and devices will be fabricated by using magnetron sputtering technique on suitable substrates with the control of
the temperature, photolithographic processes with the resolution of about 1 micron and selective chemical
etching (Reactive Ion Etching). Thin films will be growth in UHV system needed to control the impurities content
during the deposition process, which dramatically affects the superconducting properties of the deposited films.
The films realized will be characterized in terms of their morphological , electric and superconducting
properties using X-rays analysis, measurements of the resistivity at different temperatures and the measurement
of the critical temperature. New different fabrication processes using non conventional superconducting
materials will be investigated and realized. The devices will be tested in terms of current-voltage curves at
different temperatures ranging from T=4.2 K to 0.3 K and the behaviour of the Josephson current versus an
external magnetic field. All measurements will be performed in shielded environments and using a suitable low
noise electronic apparatus. Firstly, the devices will be characterized in order to test their quality and the
reproducibility of the fabrication process. Then, the devices will be measured in non equilibrium regime
produced both by electronic injection and laser irradiation. Both these procedure are very powerful tools to
investigate the relaxation times and to study the scattering mechanisms between the produced excitations
(quasiparticles, Cooper pairs and phonons) The control of both energy and time width of the optical
perturbation will enable to discriminate pure non equilibrium effects from heating. A suitable cryogenic insert
equipped with an optical fibber and a cryostat with optical window to feed the laser pulse into the sample will be
realized. Finally, in the three-terminal devices made by stacked tunnel junctions, the potential current and power
gain, the input-output insulation and their possibility to be integrated at low temperature with other electronic
devices will be investigated. In particular devices with, as intermediate electrode, a bilayer of two different
metals, one of which is a superconductor, will be fabricated and measured. The choice of the second metal and
the interface properties strongly influence the working regime of the device. In the case of a superconductor with
a lower critical temperature (with respect to that of the other) or of a normal metal and in the presence of a
clean interface, (transmission factor about one) the properties of the system are driven by the proximity effect
and the amplification current is related to the ratio of the energy gap values on the two sides of the bilayer. In
the presence of a dirt interface, such to reduce the proximity effect, and working at suitable temperature, a
relatively high current gain can be obtained due to the trapping effect of the quasiparticles. Finally, higher
current gains could be obtained using normal metals and reducing to zero, for example using an external
magnetic field, the gap induced by proximity effect. The electronic characteristics of the devices will be
investigated as function of the properties of the materials employed for the intermediate electrode, their relative
thickness, the transparency of their interface. Further investigation will be devoted to the switching properties in
two interacting Josephson junctions in staked configuration not only for new involved electromagnetic
phenomena, but also for the large variety of potential applications, which it could have in the field of radiation
detection and novel superconducting devices.
During 2002 further theoretical and experimental investigations will be devoted to the non destructive
evaluation by using SQUID magnetometry with electromagnetic technique on CFRP composite material. In this
framework will be analyzed the correlation between the magnetic signal and the depth of delamination defect.
251
Moreover will be designed SQUID magnetometers with high spatial resolution (less than 100 micron) and new
excitation coil. This improvement allow us to obtain high resolution magnetic map of the composite sample.
Moreover the high spatial resolution SQUID will be allow us to localize, by using injection current, the porosity
inside the metallic and non metallic alloy used to fabricated the aircraft engine.
We intend to investigate in detail the anisotropic properties of the biepitaxial junctions. We aim to study the
dependence of the Josephson critical current density Jc on the GB angle, in order to evaluate d-wave induced
effects in our junctions configurations. Additional studies on the presence of spontaneous currents and the
possible existence of doubly degenerate states exploiting d-wave nature of the order parameter will be carried
out. All these studies are crucial for any development of π-circuitry.
Pubblicazioni 2001
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Analysis of low-velocity impact damage in reinforced carbon fiber composites byHTS-SQUID
magnetometers . A. Ruosi, M. Valentino, G. Peluso, G. Pepe(IEEE Trans. on Appl. Supercond. 11, No 1,
1172-1175 (2001)
Pulse-induced switches in a Josephson tunnel stacked device G.P. Pepe, G. Peluso, M. Valentino, A.
Barone, L. Parlato, E. Esposito, C. Granata, M.Russo. Appl. Phys. Lett. 79, 2770 (2001).
A new superconducting device with transistor-like properties G.P. Pepe, L. Parlato, G. Ammendola, E.
Esposito, G. Peluso, A. Barone, and N. Booth. (IEEE Trans. on Appl. Supercond. 11, No 1, 205 (2001)
Whole-wafer fabrication process for three-terminal double stacked tunnel junctions G.P.Pepe, G. Peluso, R.
Scaldaferri, L. Parlato, C. Granata, E. Esposito, M. Russo Eur. Phys. J. B 23, 421-425 ( 2001)
Low Tc 3-terminal structures for new superconducting devices G.P.Pepe, R. Scaldaferri, L. Parlato, G.
Peluso C. Granata, M. Russo, G. Rotoli and N.E. Booth Supercond. Sci. Technol. 14, 1 (2001).
Effects of Anomalous Andreev Reflection in High Tc Layered Structures A.Golubov and F. Tafuri IEEE
Trans. on Appl. Supercond. 11, 422 (2001)
Transport Properties of [100] Tilt and Twist Biepitaxial Y-Ba-Cu-O junctions E. Sarnelli, F. Carillo, G.
Testa, F. Lombardi, F. Miletto Granozio, F. Ricci, U. Scotti di Uccio, F. Tafuri IEEE Trans. Appl.
Supercond 11, 776 (2001)
Comunicazioni a conferenze internazionali
-
Nobel Jubelee Symposium on Condensation and Coherence in Condensed Systems A.Barone, (invited)
December (2001)
"Structural health monitoring of materials by high critical temperature SQUID" M. Valentino, A. Ruosi,
G.Pepe and G.Peluso. presented to EUCAS 2001, 24 August 2001
"Besides the standard Niobium Bath Chemical Polishing" V. Palmieri, F. Stivanello, C. Roncolato, M.
Valentino, presented to workshop on RF Superconductivity (2001) Tsukuba Japan
Conferenze nazionali
- F. Tafuri Plenary Talk at INFM Meeting, Rome June 2001
Coordinamento di progetti nazionali
−
−
Giampiero Pepe coordina un progetto INFM-PAIS
Giuseppe Peluso coordina un progetto INFM Progetto- Sud
−
−
Antonio Barone è membro del Steering Committee of the U.E. Network of Excellence SCENET;
Antonio Barone è presidente del Consiglio Scientifico dell'Istituto di Cibernetica (CNR).
Partecipazione ad Editorial Board di riviste scientifiche
−
Antonio Barone è membro del Board of Editors delle seguenti riviste internazionali:
a) Journal of Superconductivity,
252
b) European Physical Journal B,
c) Fizika Nizkikh Temperatura
SUPERCONDUTTIVITÀ IN SISTEMI METALLICI NON CONVENZIONALI
A.Andreone, M.Barra*, A.Cassinese, R.Di Capua, E. DiGennaro, M.Iavarone*,
G. Lamura* F.Miletto*,M.Salluzzo*, U.Scotti di Uccio*, R.Vaglio,
Attività 2001
Nel 2001 l’attività ha riguardato lo studio delle proprietà strutturali mediante tecniche
diffrattometriche, SPM e di luce di Sincrotrone, e delle proprietà di trasporto (con particolare
riferimento alle proprietà a microonde) in superconduttori intermetallici non convenzionali ed
in superconduttori ad alta temperatura critica. Inoltre è stata svolta un’intensa attività di
sviluppo di dispositivi passivi a microonde per applicazioni nel settore delle
telecomunicazioni.
In particolare è iniziato lo studio del composto superconduttore MgB2 (Tc=40K) scoperto di
recente. Sono stati realizzati film sottili tramite diverse tecniche di sputtering seguite da
ricotture ad alta temperatura in presenza di vapori saturi di Mg. Sono state effettuate
caratterizzazioni strutturali e morfologiche e misure di trasporto.
In particolare, è stata studiata la lunghezza di penetrazione magnetica del materiale fino alle
basse temperature (1.5 K) e l’impedenza di superficie nella regione delle microonde (20
GHz). I primi risultati sembrano indicare una natura BCS s-wave della superconduttività.
Tuttavia si è rilevata la presenza di due bande a cui sono associabili diversi valori del gap di
energia.
Sono inoltre realizzati e caratterizzati con tecniche avanzate, film sottili del composto
Re(NdBa)2Cu3O7 con Re= Y,Nd e state effettuate misure delle proprietà superconduttive in
radio-frequenza . Sugli stessi composti sono state realizzate, in collaborazione con Argonne
National laboratory, misure di spettroscopia ad effetto tunnel con tecnica STM. Le misure
sono state analizzate in termini di modelli teorici per lo scattering da impurezze nell’ ambito
del modello d-wave.
Sono stati progettati e realizzati filtri passabanda planari di YBa2Cu3O7 operanti nella regione
di frequenza 3-5GHz basati su una nuova tipologia di risonatore denominata “dual mode
cross slotted”. Sono stati realizzati filtri a due e 4 poli con larghezza di banda relativa di 1% e
10%. Confrontati con i dual mode tradizionali, i cross slotted presentano, a parità di
prestazioni e di banda operazione, un maggior grado di miniaturizzazione risultando di
estreme interesse per applicazioni nel campo della telefonia mobile e satellitare. E’ inoltre
iniziata una intensa attività sulla progettazione e la realizzazione di antenne basate su
materiali superconduttori.
Programma 2002
Nel 2002 l’attività riguarderà lo studio delle proprietà strutturali, mediante tecniche
diffrattometriche, SPM e di luce di Sincrotrone, e delle proprietà di trasporto (con particolare
riferimento alle proprietà a microonde) in superconduttori intermetallici non convenzionali ed
in superconduttori ad alta temperatura critica.
In particolare verrà approfondito lo studio del composto MgB2 superconduttore a 40K di
recente scoperta. Gli studi riguarderanno la spettroscopia tunnel planare ed STM, nonché le
proprietà di magnetoresistenza e di effetto Hall e le proprietà a microonde, per chiarire da un
lato la "natura" dello stato superconduttivo, dall' altro le potenzialità applicative del materiale.
253
Proseguirà inoltre lo studio dei film sottili del composto Re(NdBa)2Cu3O7 con Re= Y,Nd. Su
tali composti verranno realizzate, in collaborazione con Argonne National laboratory, misure
di spettroscopia ad effetto tunnel con tecnica STM. e misure delle proprietà superconduttive
in radio-frequenza. Le misure verranno analizzate in termini di modelli teorici per lo
scattering da impurezze nell’ ambito del modello d-wave.
Nell’ambito dello studio delle proprietà di film epitassiali di ossidi di metalli di transizione
verranno analizzati materiali che esibiscono proprietà interessanti in vista di una elettronica
innovativa. I film verranno depositati per sputtering reattivo, ed analizzati mediante
diffrazione di raggi X (mappatura del reticolo reciproco), misure di trasporto e misure di
riflettanza IR.
In particolare verrà studiata la crescita del composto CaRuO3 su differenti substrati (LaAlO3,
SrTiO3, NdGaO3) e verrà valutata l’influenza dell'orientazione di crescita sulle proprietà
chimiche e di trasporto dei campioni.
Continueranno inoltre gli studi sulle applicazioni a microonde dei superconduttori ad alta Tc.
Verranno progettate realizzate e testate sperimentalmente nuove configurazioni di filtri "dual
mode" e l’attività di studio, progettazione e realizzazione di antenne.
The activities carried out in the year 2001 centered around the study of structural properties by means of
diffractometric techniques, SPM techniques and synchrotron-light techniques, as well as the study of transport
properties (with special emphasis on the microwave properties) in non-conventional intermetallic
superconductors and in superconductors with a high critical temperature. Major research work was also
performed to develop passive microwave devices for applications in the telecommunications sector.
In particular the study of the recently discovered superconducting compound MgB2 (Tc=40K) was started. Thin
films were made by different sputtering techniques followed by annealing in presence of high Mg partial
pressure. Structural and morphological characterizations were performed, as well as transport measurements.
First results indicated a BCS s-wave nature of superconductivity. However the presence of two conduction bands
was evidenced, with two different values of the energy gap.
Advanced techniques were used to produce and characterize thin films of the compound Re(NdBa)2Cu3O7 with
Re=Y,Nd, and measurements of the superconducting properties at radio frequencies were obtained. In
collaboration with the Argonne National Laboratory, the same compounds were also measured using tunneleffect spectroscopy with the STM technique. The results of these measurements were then analyzed in terms of
theoretical models for scattering by impurities in the context of the d-wave model.
Planar band-pass filters of YBa2Cu3O7 were designed and constructed. These operate in the 3-5 GHz frequency
range and are based on a new resonator class, i.e. cross slotted dual mode resonators. 2-pole and 4-pole filters
with a relative bandwidth equal to 1% and 10%, respectively, were devised. Compared to traditional dual mode
filters, cross slotted filters are characterized by a higher degree of miniaturization, with equal performance and
operating band, and thus prove highly interesting for use in mobile and satellite telephonic applications. An
intense activity was also started on the design and test of antennas based on superconducting materials.
2002 Program
Activities scheduled for 2002 will center around the study of structural and transport properties in nonconventional intermetallic superconductors and superconductors with a high critical temperature. Structural
properties will be studied by means of diffractometric techniques, SPM techniques and synchrotron-light
techniques, while transport properties will be mainly studied in the microwave band.
In particular will be continued the systematic studies on the MgB2 compound, a recently discovered material
which proves superconductive at 40°K. Attention will be focused on planar tunnel spectroscopy and STM
spectroscopy, as well as on magnetoresistence, Hall effect and microwave properties, in order to clarify the
“nature” of the superconducting state, as well as the application potential of this material.
Research work will continue into the thin films of the compound Re(NdBa)2Cu3O7 with Re=Y,Nd. In
collaboration with the Argonne National Laboratory, measurements of the superconducting properties at radiofrequency will be taken and the STM technique will be employed to measure tunnel-effect spectroscopy on these
compounds. The results will be analyzed in terms of theoretical models for scattering by impurities in the context
of the d-wave model.
254
In the frame of the study of the physical properties of epitaxial thin films of transition metal oxides, different
materials exhibiting properties of interest for innovative electronics will be investigated. Films will be deposited
by reactive sputtering, and analyses include x ray diffraction (reciprocal space mapping), transport
measurements and IR reflectance measurements. The activity will be addressed to analysing the growth of
CaRuO3 on different substrates (LaAlO3, SrTiO3, NdGaO3) with enphasis to the correlation between growth
orientation and the chemical and electronic properties of the samples.
Research work will also continue into obtaining microwave applications of superconductors with a high Tc. New
configurations of dual mode filters will be designed, constructed and tested, and the activity on the study, design,
and construction of antennas will continue.
Pubblicazioni 2001
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
“Magnetic penetration depth measurements in MgB2 sintered pellets and thin films”, G. Lamura, E. Di
Gennaro, M. Salluzzo, A. Andreone, J. Le Cochec, A. Gauzzi, C. Cantoni, M. Paranthaman, D. K. Christen,
H. M. Christen, G. Giunchi, and S. Ceresara, Physical Review B, vol. 65, p. 020506-020509.
“A systematic study of the role of Nd/Ba disorder on the superconducting properties of NdBaCacuO thin
films” , M.Salluzzo, A.Andreone, F.Palomba, G.Pica, R.Vaglio, I.Maggio-Aprile, and 0.Fischer, European
Physics Journal B, vol. 24, p. 177-187 (2001).
“Superconducting properties of YNdBaCuO and NdBaCuO thin film deposited by dc sputtering”,
M.Salluzzo, A.Andreone, A.Cassinese, R.Di Capua, M.Iavarone, M.G.Maglione, G.Pica, and R.Vaglio,
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.11,p. 3201-4 (2001).
“Superconducting planar filters using dual-mode cross-slotted square resonators”, A.Cassinese,
A.Andreone, M.Cirillo, F.Palomba, G.Panariello, G.Pica, R.Russo, F.Schettino, and R.Vaglio, Journal of
Superconductivity : Incorporating Novel Magnetism, Vol. 14, p.127-132 (2001).
“Dual-mode cross-slotted filters realized with double-sided Tl2Ba2CaCu2O8 films grown by MOCVD”, A.
Cassinese, A.Andreone, E. Di Gennaro, G. Pica, R.Vaglio, G.Malandrino, L.M.S. Perdicaro, I.L. Fragalà
and C.Granata, Supercond. Science and Technology. Vol.14, p. 406-12 (2001).
“Superconducting gap anisotropy of LuNi2B2C films from microwave surface impedance measurements” ,
A.Andreone, A.Cassinese, L.Gianni, M.Iavarone, F.Palomba, R.Vaglio, Physical Review B, Vol. 64,
p.1005051-4 (2001).
“Dual Mode Superconducting Planar Filters Based on Slotted Square Resonators”, A. Cassinese, A.
Andreone, M. Barra, C. Granata , P. Orgiani, F. Palomba, G. Panariello, and G. Pica, IEEE Trans on Appl.
Superconductivity, Vol. 11, p. 473 (2001).
Comunicazioni a congressi internazionali
1.
“ Multi-Stage dual-mode cross-slotted superconducting filters for telecommunication applications”,
A.Cassinese, M.Barra, G.Panariello and R.Vaglio, “International Microwave Symposium ”, B.Sigmond Ed.
p. 397 (2001).
2. “Superconducting Antennas for Telecommunication Applications” , A.Cassinese, M. Barra, I. Fragalà, M.
Kusunoki, G. Malandrino, T. Nakagawa, L. M. S. Perdicaro, K. Sato, S. Ohshima and R. Vaglio, In Stampa,
EUCAS (European Conference on Applied Superconductivity) 2001.
3. “Surface Impedance of R1(NdxBa2-X)Cu3O7- (R= Nd, Y) Thin Films”, M. Salluzzo, A. Andreone, A
Cassinese , R. Di Capua, E. Di Gennaro, M. Iavarone , M. Maglione and R. Vaglio, In Stampa, EUCAS
European Conference on Applied Superconductivity) 2001.
4. “Study of the microwave electrodynamic response of MgB2 thin films”, A. Andreone, A. Cassinese, C.
Cantoni, E. Di Gennaro, G. Lamura, M. G. Maglione, M. Paranthaman, M. Salluzzo and R. Vaglio, In
Stampa, EUCAS European Conference on Applied Superconductivity) 2001.
Altre attività
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R. Vaglio è membro del Consiglio Scientifico del MASPEC-CNR di Parma,
R. Vaglio è membro del Consiglio Scientifico del CSFBT-CNR Genova
R. Vaglio è editor della Rivista “Superconductor Science e Technology”
R. Vaglio è chairman (con A.Barone) della Conferenza Internazionale EUCAS 2003
R. Vaglio è responsabile per l’Università Federico II della progettazione di un Centro di Competenza
regionale su “Nuove Tecnologie per le Attività Produttive”
255
MATERIALI MAGNETICI
SISTEMI MAGNETICI REALISTICI UNIDIMENSIONALI
L. S. Campana, A. Caramico D’Auria, F. Esposito, U. Esposito
Attività 2001
Un approccio numerico basato sulla matrice di trasferimento quantistica e una tecnica di
diagonalizzazione esatta sono stati sviluppati per il modello isotropo di Heisenberg con
geometria ad anello. Tali metodi sono stati applicati in simulazioni a larga scala dei clusters
Mn6 e Ni12 in modo da ottenere risultati quantitativi per le loro proprietà magnetiche. Per il
complesso Ni12 sono stati pubblicati nuovi dati sperimentali per la suscettività. Nuovi
parametri microscopici sono stati ottenuti per entrambi i sistemi di spin dal confronto delle
curve teoriche della suscettività con i risultati sperimentali.
Inoltre è stato sviluppato un procedimento non convenzionale per il Gruppo di
Rinormalizzazione nello spazio dei momenti, che coinvolge punti fissi e autovettori
dipendenti dalla temperatura T; esso permette di descrivere i fenomeni di crossover dal
regime classico al regime quantistico per i sistemi quantistici. In questo schema T assume il
ruolo di parametro naturale di crossover.
Programma 2002
La tradizionale linea di ricerca del gruppo basata sull’approccio numerico a sistemi
mesoscopici di spin modellati mediante una Hamiltoniana di Heisenberg promette di fornire
ancora risultati interessanti. Proseguendo la collaborazione con il gruppo del prof. Grzegorz
Kamieniarz dell’ Università di Poznan, pensiamo di applicare i metodi da noi sviluppati negli
ultimi anni alla determinazione dei livelli energetici più bassi di cluster dodecanucleari del
Mn , le cui proprietà magnetiche sono attualmente oggetto di intensa attività di ricerca
sperimentale, ma per i quali manca un adeguato schema di interpretazione teorica. Questa non
sarà una semplice applicazione di routine perché occorrerà generalizzare le tecniche di
fattorizzazione della matrice Hamiltoniana a catene con spin differenti in siti reticolari diversi.
Inoltre la grande complessità dei sistemi studiati richiederà l’adozione di opportuni schemi
pertubativi.
Una seconda linea di ricerca del gruppo, svolta in collaborazione col prof. L. De Cesare
dell’Università di Salerno, riguarda gli effetti di disordine quenched sulle transizioni di fase,
in particolare sulle transizioni di fase quantistiche indotte a temperatura zero dalla variazione
di un parametro di controllo non termico. In tale contesto ci proponiamo di estendere ai
sistemi quantistici un procedimento di riduzione, sviluppato da Ivanchenko per sistemi
classici, che rende possibile ottenere modelli esattamente risolubili.
A numerical transfer-matrix approach and an exact diagonalization technique have been developed in the
framework of quantum statistical mechanics for the isotropic Heisenberg spin Hamiltonian with the ring
geometry. They have been applied in large scale simulations to the clusters Mn6 and Ni12 in order to model
quantitatively their magnetic properties. For Ni12 complex we have reported new experimental data for the
susceptibility. New microscopic spin model parameters for both molecules have been obtained from a fit of the
theoretical susceptibility curves to the experimental results.
A non conventional renormalization group procedure, which involves fixed points and eigenvectors depending
on temperature T, has been developed to describe classical-quantum crossover phenomena for quantum systems
256
near criticality. In this picture T assumes the role of a natural crossover parameter.
2002 Program
Our research line, based on a numerical approach to mesoscopic spin systems modelled by a Heisenberg
Hamiltonian, can give some further results. Pursuing our collaboration with the group of prof. G. Kamieniarz,
University of Poznan, we will apply our approach to determine the low energy levels of Mn dodecanuclear
clusters; the magnetic properties of this compound are now object of intense experimental research, but an
appropriate theoretical scheme is still missing. This is not a routine application, because it requires a
generalization of our approach to systems which present different spin values in different lattice sites. Moreover
the great complexity of the systems requires the use of appropriate perturbative methods.
A further research line will be developed in collaboration with prof. L. De Cesare, University of Salerno. It
concerns the effects of quenched disorder on phase transitions, in particular with regard to quantum phase
transitions induced at temperature zero by the variation of a non thermal control parameter. In this context we
plan to extend to quantum systems a reduction procedure developed by Ivanchenko for classical systems, which
makes it possible to obtain exactly solvable models.
Pubblicazioni
1.
2.
3.
A Caramico D’Auria, U Esposito, F Esposito, G Kamieniarz and R Matysiak, “Exact simulations of
quantum rings and characterization of hexanuclear manganese and dodecanuclear nickel cyclic compounds
“, J Phys : Condens. Matter 13 (2001) 2017-2023
A Caramico D’Auria, L De Cesare and I Rabbuffo, “A non conventional approach to describe classicalquantum crossover phenomena near criticality”, Physics Letters A 280 (2001) 153-156
G Kamieniarz, R Matysiak, A Caramico D’Auria, F Esposito and C Benelli, “Finite –temperature
characterization and simulations of the molecular assemblies Mn6 and Ni12 “, Eur. Phys. J. B 23 (2001) 183189
PROPRIETÀ MAGNETICHE NEI MATERIALI METASTABILI,
MAGNETOELASTICITÀ E SUE APPLICAZIONI
G.Ausanio*, V. Iannotti*, L. Lanotte, C. Luponio
Attività 2001
Il tema consolidato dello studio ed applicazione dei materiali magnetoelastici, e degli aspetti
teorici collegati, è stato perseguito con interessanti nuovi contributi sui seguenti punti.
− Produzione di compositi innovativi costituiti da particelle magnetiche (micro e/o
nanometriche) in elastomero od in polimero; modellisitica del loro comportamento in
campo magnetico e verifica sperimentale dello stesso sino alle basse temperature. Nei
compositi di particelle di nichel in silicone, è stato modellizzato e sperimentato un nuovo
meccanismo di accoppiamento tra campo elastico e campo magnetico, da noi denominato
“effetto elasto-magnetico”, dagli interessanti possibili sviluppi applicativi. In particolare è
stato chiarito il ruolo dell’accoppiamento tra anisotropia di forma ed asse di facile
magnetizzazione, quando una particella magnetizzata ruota in una matrice elastica.
− Studio della struttura morfologica e magnetica di multistrati e del ruolo svolto dagli effetti
magnetoelastici all’interfaccia. E’ stata individuata, tra l’altro, la presenza di “domini a
striscia” nei multistrati di Co e Fe ed è stata spiegata tramite l’ anisotropia magnetica
trasversale indotta dagli strain di interfaccia.
− Applicazioni di risonatori, fatti da nastri magnetoelastici, per la rilevazione economica e
stabile di vibrazioni meccaniche. Sono stati avviati progetti di collaborazione con le
industrie dell’aria campana per la valorizzazione dei risultati conseguiti tramite la verifica
delle prestazioni sul campo dei prototipi ed eventuali brevetti.
257
− Uso della radiazione di sincrotrone per lo studio della evoluzione termica della struttura di
materiali metastabili, al fine di individuare le condizioni strutturali che ottimizzano le
proprietà magnetoelastiche.
Programma 2002
L’attività del gruppo per il 2002 sarà fortemente concentrata su:
− studio dei sistemi compositi costituiti da nastri ferromagnetici in guaine elastiche per
applicazioni in ambiente biologico od invasivo per il materiale ferromagnetico, con
sviluppo di prime prove di sensori operanti in silicone
− continuazione dell’uso della luce di sincrotrone per indagini in materiali magnetici amorfi
sulla evoluzione termica della loro struttura disordinata
− modellizzazione e realizzazione di compositi in cui l’effetto elasto-magneto, da noi
precedentemente dimostrato, sia ingigantito, in modo da poter applicare tali materiali
quali sensori ed attuatori innovativi
− estensione delle indagini sperimentali e dei modelli della magnetoelasticità a nuove leghe
ferromagnetiche composte di neodimio, ferro ed alluminio
− utilizzo innovativo dell’analisi termica differenziale in campo magnetico per la misura
della permeabilità magnetica in materiali “soft”
There were continued the theoretical and experimental studies on magnetoealstic materials and their
application, obtaining new and interesting results as follows:
− Production of innovative composites consisting of magnetic particles (micro and/or nanometer scale)
immersed in an elastomeric or polymeric matrix; modelling their behaviour in magnetic field and
experimental verification at low temperatures. For composites consisting of Ni particles embedded in
silicone it was conceived and experimented a new mechanism of interconnection between elastic and
magnetic fields, named by us “elasto-magnetic effect” that can have interesting possible application. In
particular it was clarified the relationship between shape anisotropy and easy magnetization axes,
when a magnetized particle is rotating in an elastic matrix.
− Study of the structure and magnetic behaviour of multilayer configurations and of interfaces
magnetoelastic effects. It was individuated, between others, the existence of “strip domains” in Co/Fe
multilayers and it was explained using transversal magnetic anisotropy induced by interface strain.
− Applications of resonators made by magnetoelastic ribbons for economical and stabile detection of
mechanical vibrations. There were started collaboration projects with industry in Campania area in
order to evaluate the achieved results via testing the prototypes in specific fields of application and
possible patents.
− Using of synchrotron radiation in order to study the thermal evolution of the structure of metastable
materials in order to individuate the structural conditions for optimum magnetoelastic properties.
2002 Program
The basic activity of the team in 2002 will be focused on:
− Study of composite systems consisting of ferromagnetic ribbons embedded in an elastic matrix for
application in biologic or invasive environments, developing first tests on sensors based on ferromagnetic
ribbons embedded in an silicone matrix.
− Using of synchrotron radiation to study the thermal evolution of the disordered structure in amorphous
magnetic materials.
− Conceiving and production of composites in which the elasto-magnetic effect, discovered by us, is so highly
increased that these materials can be used as sensing core in new sensors and actuators.
− New experimental investigations and modelling of magnetoelasticity in new ferromagnetic alloys based on
Nd, Fe and Al .
− Innovative using of differential thermal analysis in magnetic field for the measurement of permeability in
soft magnetic materials.
258
Pubblicazioni 2001
1.
2.
3.
4.
5.
L. Lanotte, G. Ausanio, V. Iannotti, G. Pepe, G. Carotenuto, P. Netti, L. Nicolais, “Magnetic and
magnetoelastic effects in a composite material of Ni microparticles in a silicone matrix ”, Phys. Rev. B 63,
054438 (2001)
G. Ausanio, V. Iannotti, C. Luponio, L. Lanotte, R. Germano, A. D'Agostino, M. Inverno, R. Sorrentino,
“Potential application of innovative magnetoelastic resonators for vibration detection”, Sensors and
Actuators A 91, 123-125 (2001)
G. Ausanio, V. Iannotti, L. Lanotte, M. Carbucicchio, M. Rateo, “Weak stripe domains in Co/Fe
multilayers”, J. Magn. Magn. Mater. 226-230, 1740-1742 (2001)
G. Ausanio, V. Iannotti, C. Luponio, L. Lanotte, “Relation among dynamic magnetoelasticity, soft magnetic
properties and amorphous structure homogeneity in the new alloy Fe62.5Co6Ni7.5Zr6Cu1Nb2B15”, Mater.
Sci. Technol. 17, 1525-1530 (2001)
L. Lanotte, G. Ausanio, V. Iannotti, G. Pepe, G. Carotenuto and L. Nicolais, “Low temperature magnetoconductivity properties of micro-sized Ag/HD-PE metal/polymers”, Eur. Phys. J. B 21, 485-489 (2001)
Congressi internazionali
1.
L. Lanotte, G. Ausanio, V. Iannotti, “agnetisation and Deformation Effects in Composite Materials of
Magnetic Microparticles Dispersed in an Elastic Matrix"”Invited Presentation at International Workshop on
Amorphous and Nanostructured Magnetic Materials, National Institute of Research and Development for
Technical Physics, IASI (Romania), September 17-18 (2001), Abstract book I.09.
Congressi nazionali
1.
2.
3.
4.
5.
L. Lanotte, G. Ausanio, V. Iannotti, Behaviour of magnetisation as a function of the strain in composities of
ferromagnetic microparticles in an elastic matrix”, contributo orale al VI Convegno Nazionale “Materiali
Nanofasici”, Roma 9-10 Maggio (2001), Abstracts p. 29.
V. Iannotti, G. Ausanio, A. D’Agostino, R. Germano, C. Luponio, L. Lanotte , “New magnetoelastic
sensors. Task2 of south project SEMASTI”, Congresso Nazionale di Fisica della Materia, Roma 18-22
Giugno (2001), Abstracts-Sessione poster progetto Sud INFM. p. 84.
V. Iannotti, G. Ausanio, L. Lanotte, L. Maritato, E. Bonetti, L. Del Bianco, A. Stantero, F. Vinai, M.
Carbucicchio, M. Rateo, F. Branda, G. Lucani, “Production and characterization of materials with novel
magnetoelastic properties. Task1 of south project SEMASTI”, Congresso Nazionale di Fisica della Materia,
Roma 18-22 Giugno (2001), Abstracts-Sessione poster progetto Sud INFM. p. 84.
G. Asti, M. Solzi, M. Ghidini, R. Pellicelli, P. Podini, L. Lanotte, V. Iannotti, G. Ausanio, G. Turilli, L.
Pareti, “Realization of New High Sensitivity Magnetometers for Thin Films”, Congresso Nazionale di Fisica
della Materia, Roma 18-22 Giugno (2001), Abstracts-Sessione poster progetto PAIS sezione D p. 67.
V. Iannotti , G. Ausanio, L. Lanotte, “Elastomagnetic effect in new composite materials of oriented
magnetic microparticles in a silicone matrix”, contributo orale al Congresso Nazionale di Fisica della
Materia nel Simposio Parallelo: “Nano-microcomposite materials: synthesis and new application oriented
magnetic and mechanical properties” - Coordinatore prof. E. Bonetti, 18-22 Giugno (2001), Abstracts p. 32.
Direzione di Progetti di interesse nazionale
−
Luciano Lanotte è Direttore del sottoprogetto sud SEMASTI (2° anno di valorizzazione dei risultati 2001)
Partecipazione ad editorial board di riviste internazionali
−
Luciano Lanotte è membro dell’Editorial Board of the International Journal of Applied Electromagnetics
and Mechanics
259
FISICA DEI SEMICONDUTTORI
CRESCITA E CARATTERIZZAZIONE DI FILM A BASE DI SILICIO
G. Ambrosone, U. Coscia, V. Parisi
Attività 2001
I semiconduttori di silicio e silicio carbonio depositati utilizzando i processi di Plasma
Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) sono di notevole interesse per le
applicazioni in dispositivi come celle solari, transistor a film sottile, diodi elettroluminescenti
etc.
L’attività svolta ha riguardato da una parte la deposizione e caratterizzazione di film di silicio
microcristallino idrogenato (µc-Si:H), dall’altra lo studio delle proprietà elettriche e strutturali
delle leghe di silicio carbonio amorfo idrogenato (a-SiC:H) in funzione della temperatura di
annealing.
I materiali sono stati realizzati con il sistema PECVD a radiofrequenza (RF = 13.56 MHz) del
DSFNA utilizzando miscele di silano + idrogeno per la crescita di µc-Si:H e miscele di silano
+ metano per la deposizione di a-SiC:H.
Tutti i campioni sono stati caratterizzati mediante spettroscopia ottica di riflessione e
trasmissione nella regione UV-VIS-NIR per calcolarne lo spessore, l'indice di rifrazione ed il
coefficiente di assorbimento in funzione dell'energia della radiazione incidente. Per studiare i
legami tra silicio, carbonio ed idrogeno sono state eseguite misure di spettroscopia IR. E' stata
determinata inoltre la conducibilità di buio, la fotoconducibilità in presenza di luce bianca
(100 mW/cm2 in condizioni AM1) e la fotosensitività. Il coefficiente di assorbimento per
valori inferiori a 104 cm-1 è stato calcolato da misure di fotoconducibilità spettrale.
Per i film µc-Si:H la frazione cristallina e le dimensioni dei cristalliti sono state ricavate da
misure di diffrazione a raggi X effettuate presso i laboratori dell'ENEA di Portici e da misure
di spettroscopia Raman condotte presso il laboratorio di Film sottili del Politecnico di Torino.
Per i film a-SiC:H le misure elettriche e di spettroscopia IR in funzione della temperatura di
annealing sono state eseguite sotto vuoto nell’intervallo 25-400 °C.
Per ottimizzare le condizioni di crescita dei film di silicio microcristallino si è studiata la
dipendenza delle loro proprietà ottiche, elettriche e strutturali dai parametri di deposizione,
quali pressione, potenza di RF, flusso dei gas e temperatura del substrato.
I principali risultati ottenuti sono:
i) per deporre il silicio microcristallino idrogenato con alti valori della conducibilità di buio è
necessario utilizzare alte diluizioni di silano in idrogeno (> 96%)
ii) le variazioni della potenza di RF e del flusso totale dei gas non comportano variazioni
significative delle proprietà dei film
iii) le variazioni della pressione e della temperatura del substrato influenzano notevolmente le
proprietà dei film.
Dall’analisi dei risultati è stato possibile individuare le condizioni di crescita ottimali
(percentuale idrogeno/silano del 97%, pressione di 1 Torr, potenza di RF di 10 W e
temperatura del substrato di 350°C) per la deposizione di materiali microcristallini con valori
elevati della velocità di deposizione (circa 1 Å/s) e della conducibilità di buio (> 10-3 S/cm). I
film microcristallini deposti mostrano una crescita preferenziale nella direzione (220) con una
dimensione media dei cristalliti di circa 200 Å.
Per quanto riguarda l’andamento delle proprietà elettriche delle leghe a-SiC:H in funzione
della temperatura si è osservato che le curve di resistività ottenute riscaldando e raffreddando
260
i campione nell’intervallo 25 – 400 °C non sono reversibili. Dallo studio degli spettri IR si è
evinto che tali variazioni sono imputabili all’idrogeno contenuto nei microvuoti che
diffondendo nel film può saturare i legami non saturi del silicio o del carbonio modificando la
struttura del materiale.
Programma 2002
Si proseguirà l’attività di deposizione e caratterizzazione dei film µc-Si:H ed a-SiC:H.
In particolare si realizzeranno fotoconduttori di silicio microcristallino e si studieranno le
proprietà della fotoconducibilità in condizioni di illuminazione stazionaria ed impulsata. Ciò
permetterà di individuare i materiali le cui proprietà elettroniche non degradino (effetto
Staebler-Wronski) e che possono perciò essere utilizzati come stabili sensori di radiazione
visibile.
Infine si deporranno film di silicio carbonio amorfo con alto contenuto di carbonio per
studiarne le proprietà di fotoluminescenza a temperatura ambiente.
Silicon and silicon carbon semiconductor deposited using Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition
(PECVD) process are very interesting for device applications as solar cells, thin film transistor, light emitting
diode etc.
During last year the activity concerned on the deposition and characterization of the hydrogenated
microcrystalline silicon (µc-Si:H) and on the thermal evolution study of the electrical and structural properties
of hydrogenated amorphous silicon carbon (a-SiC:H).
Materials have been fabricated by the DSFNA radiofrequency (RF =13.56 MHz) PECVD system, using silane +
hydrogen and silane + methane gas mixtures to grow µc-Si:H and a-SiC:H respectively.
All the samples have been characterized by means transmission/reflection spectroscopy in UV-VIS-NIR to
determine thickness, refractive index and absorption coefficient as a function of the energy. The silicon, carbon
and hydrogen bonds have been studied by IR spectra. Dark conductivity, photoconductivity under white
illumination (100 mW/cm2, AM1 conditions) and photosensitivity have been measured. The absorption
coefficient at values < 10-4 cm-1 has been calculated by spectral photoconductivity.
For µc-Si:H films the fraction and size of crystallites have been obtained by X ray diffraction and Raman
spectroscopy in collaboration with ENEA laboratory and the “Thin Films” group of Politecnico di Torino,
respectively.
For a-SiC:H films electrical measurements and IR spectra have been performed under vacuum in the annealing
temperature range from 25 to 400 °C.
In order to optimise the growth condition of microcrystalline films the behaviours of the optical, electrical and
structural properties as a function of deposition parameters (pressure RF power, gas flows and substrate
temperature) have been studied.
The main results are the following:
to grow hydrogenated microcrystalline silicon with high dark conductivity values it is necessary to use silane
highly diluted in hydrogen (>96%)
RF power and total gas flow rate don’t affect film properties
Pressure and substrate temperature markedly affect film properties.
From data analyses optimal conditions to grow microcrystalline silicon at high deposition rate (about 1 Å/s) and
high dark conductivity (> 10-3 S/cm) have been individuate (hydrogen/silane percentage of 97%, pressure of 1
torr, RF power of 10 W and substrate temperature of 350 °C).
The microcrystalline silicon films show a (220) preferential orientation and grain size of about 200 Å.
As regard as to the dependence of a-SiC:H electrical properties on the temperature it has been obtained that
electrical resistivity in the range 25 – 400 °C is not reversible. From IR spectra it has been observed that the
variations can be due to the hydrogen atoms that move from the microvoids towards the film network saturating
silicon or carbon dangling bonds.
261
2002 Program
Deposition and characterization of µc-Si:H and a-SiC:H films will be carried on.
Microcrystalline silicon photoconductors will be fabricated and photoconductivity properties under continuous
and pulsed light will be studied in order to individuate stable materials (from Staebler-Wronski effect point of
view) to use as visible radiation sensors.
At the end carbon rich a-SiC:H films will be grown to investigate photoluminescence properties at room
temperature.
Pubblicazioni 2001
1. F. Giorgis, G. Ambrosone, U. Coscia, S. Ferrero, P. Mandracci, C.F. Pirri “Structural And Optical Properties
Of a-Si1-xCx:H Grown By Plasma Enhanced-CVD” Applied Surface Science, vol 184/1-4 pp 204-208 (2001)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
G. Ambrosone, U. Coscia, P. Maddalena, P. Mininni, G. Conte “Optical And Transport Properties Of Laser
Treated a-SiC:H Thin Films” E-MRS 2001, Strasbourg 5-8 June 2001
Roberto Murri, Nicola Pinto, Clara Pasquali, Giuseppina Ambrosone, Ubaldo Coscia and Pellegrino Musto
“Reversible Effects In Electrical Conductivity Of a-SiC:H” E-MRS 2001, Strasbourg 5-8 June 2001
A.Auditore, C.Satriano, U.Coscia, G.Ambrosone, V.Parisi and G. Marletta “Human Serum Albumin
Adsorption Onto a-SiC:H And a-C:H Thin Films Deposited By Plasma Enhanced Chemical Vapour
Deposition” E-MRS 2001, Strasbourg 5-8 June 2001
U. Coscia, G. Ambrosone, P. Maddalena, S. Lettieri, M. Ambrico, C. Minarini “Influence Of Molecule
Dwell Time On µc-Si:H Properties” E-MRS 2001, Strasbourg 5-8 June 2001
G. Ambrosone, U.Coscia, S. Lettieri, P. Maddalena, C. Privato “Hydrogenated Amorphous Silicon Carbon
Alloys For Solar Cells” E-MRS 2001, Strasbourg 5-8 June 2001
Roberto Murri, Nicola Pinto, Giuseppina Ambrosone, Ubaldo Coscia and Pellegrino Musto “Reversible
effects in IR absorption peaks of SiC:H, measured as a function of the temperature” XIX ICAMS Nizza
August 2001
G. Ambrosone, U. Coscia, P. Maddalena, M. Ambrico, C. Minarini, S. Esposito, A.Buonanoce, P. Rava
“Characterization Of µc-Si:H Films Prepared By PECVD” XVII European Photovoltaic Solar Energy
Conference and Exhibition Munich 2001
S. Esposito, M. L. Addonizio, G. Ambrosone, U.Coscia, G. Fameli, C. Privato “Properties Of a-SiC:H Films
Deposited By Large Area PECVD System” XVII European Photovoltaic Solar Energy Conference and
Exhibition Munich 2001
Conferenze nazionali
1.
2.
G. Ambrosone, U. Coscia, S. Lettieri, P. Maddalena, C. Minarini “The effect of hydrogen dilution on µc Si:H film properties”. Silicon Workshop 7-9 febbraio 2001, Genova
U. Coscia, G. Ambrosone, P. Maddalena, S. Lettieri, C. Minarini, ENEA Portici “Dependence of structural
and electrical properties of µc-Si:H on SiH4+H2 pressure.“ INFM Meeting giugno 2001 Roma
PROPRIETÀ TERMICHE E OTTICHE DI MATERIALI INNOVATIVI E
DISPOSITIVI BASATI SU SEMICONDUTTORI
U. Bernini, S. Lettieri*, P. Maddalena
Attività 2001
La ricerca ha affrontato lo studio delle proprietà fisiche (termiche ed ottiche) di materiali
porosi e polveri basati su silicio.
In particolare è stato investigato il silicio reso poroso per attacco elettrochimico, del quale
sono state studiate sia le proprietà termiche che la risposta ottica lineare e nonlineare. Per
quanto attiene le proprietà termiche, è stata messa a punto una tecnica originale di pumpprobe che ha permesso la misura della conducibilità termica di film sospesi di silicio poroso
262
di diversa porosità. E’ stato completato l’esperimento per la misura della funzione dielettrica
del silicio poroso ε(ω) attraverso misure di riflettività che si estendono dal VUV al VIS.
L’analisi dei dati raccolti, mediante le relazioni di Kramers-Kronig, ha permesso di risalire
alla legge di dispersione della funzione dielettrica ed alla sua dipendenza dalla porosità dei
campioni investigati. Parallelamente si è continuato lo studio sulla la nonlinearità ottica del
terzo ordine χ(3) per campioni sospesi di silicio poroso con la tecnica di Z-scan ed è stato
sviluppato un modello che descrive l’interazione radiazione-silicio poroso tenendo conto del
contributo eccitonico.
E’ stato anche affrontato lo studio della fotoluminescenza risolta nel tempo di campioni di
polveri di silicio ottenuti per triturazione e successivo attacco chimico, che porta i grani a
dimensioni nanometriche. Le misure dei tempi di decadimento della fotoluminescenza,
eseguite con un laser impulsato (durata 5 ns) al variare della lunghezza d’onda di emissione,
hanno permesso sia lo studio dei processi di ricombinazione al variare del diverso tipo di
drogaggio del silicio di partenza sia lo studio della influenza sui tempi stessi dell’ambiente
esterno (le misure sono state eseguite in ambiente sia ossidante che inerte).
Parallelamente è in corso una attività di caratterizzazione delle perdite ottiche in celle solari e
pannelli fotovoltaici. E’ stato messo a punto un metodo originale per la misura della
riflettanza emisferica in dispositivi fotovoltaici contemporaneamente alla corrente
fotogenerata in modo da poter determinare la risposta spettrale interna del dispositivo.
La ricerca è svolta nell'ambito di una consolidata collaborazione tra alcuni ricercatori del
Dipartimento e il Centro di Ricerche Fotovoltaiche dell'ENEA di Portici (NA) nelle persone
del Dott. G. Di Francia e del Dott. A. Parretta.
Programma 2002
Per il 2002 lo studio delle proprietà ottiche lineari e nonlineari sarà esteso a campioni di
cristalli fotonici basati su silicio.
Si proseguirà nello studio delle proprietà di polveri di semiconduttori mediante misure di
fotoluminescenza e spettroscopia FT-IR.
Nel settore fotovoltaico, si intende determinare la risposta spettrale interna dei dispositivi
fotovoltaici.
Physical (thermal and optical) properties of silicon based porous materials and powders, have been studied.
In particular, we have studied both thermal and optical (linear and nonlinear) properties of electrochemically
etched porous silicon.
The thermal conductivity of porous silicon suspended films, having different porosities, has been measured by an
original pump-probe technique.
We have completed the experiment aiming to the measurement of the dielectric constant of porous silicon by
reflectance measures in the VUV – VIS range. Data have been analysed in view of Kramers-Kronig relations so
that the dispersion law of the dielectric function has been deduced at different sample porosity.
(3)
Contemporarily, the study of the third order nonlinear optical susceptibility χ for porous silicon samples has
continued by means of the Z-scan technique using short duration pulses (a few ns) and a model has been
developed in order to describe the nonlinear optical interaction between the material and porous silicon when
the excitonic contribution is taken into account.
Time resolved photoluminescence measurements have been performed on nanometric silicon powders: influence
of doping type and environmental conditions on the the recombination processes has been pointed out.
Finally, regarding the characterization of optical losses in solar cells and photovoltaic modules, an original
method has been proposed aimed to the simultaneous measurements of the emispherical reflectance and
photocurrant in photovoltaic devices for the detrmination of the internal spectral response.
The study has been carried out in the framework of a collaboration with researchers (Dr. G. Gi Francia and Dr.
A. Parretta ) of Centro Ricerche Fotovoltaiche ENEA at Portici (NA).
263
2002 Program
In the year 2002, the study of the linear and nonlinear optical properties will be extended to photonic crystals
samples.
The study on the physical properties of semiconductor powders of both silicon and germanium will also
continue, mainly regarding photoluminescence and FT-IR spectroscopy.
We will determine the internal spectral response of photovoltaic devices.
Pubblicazioni 2001
1.
U. Bernini, S. Lettieri, P. Maddalena, R. Vitiello, G. Di Francia, “Evaluation of thermal conductivity of
porous silicon layers by optical pump-probe method ”, Journal of Physics: Cond. Matter, 13, 1141, (2001)
2. S. Lettieri, P. Maddalena, L. P. Odierna, V. La Ferrara, D. Ninno, G. Di Francia, “Measurements of the
Nonlinear Refractive Index of Free-Standing Porous Silicon Layers at Different Wavelengths”, Phil. Mag.
B, 81, 133 (2001)
3. F. De Filippo, C. de Lisio, P. Maddalena, G. Lérondel, C. Altucci, “Determination of the Dielectric Function
of Porous Silicon by High-Order Laser-Harmonic Radiation”, Appl. Phys. A, 73, 737 (2001)
4. G. Di Francia, V. La Ferrara, P. Morvillo, S. Lettieri, P. Maddalena, “Self Assembly of Photoluminescent
Silicon Films: Influence of Doping on the Physical Properties”, Appl. Phys. Lett., 79, 2202 (2001).
1. G Ambrosone, U. Coscia, S. Lettieri, P. Maddalena, C. Minarini, “Influence of Hydrogen Dilution on µcSi:H films properties”, Silicon Workshop, Genova, 2001
2. P. Maddalena, A. Parretta, P. Tortora, J. Zhao, “Simultaneous Optical Losses and Current Measurements in
Photovoltaic Devices at Variable Angle of the Incident Light”, 12th Int. Photovoltaic Science and Eng. Conf.
PVSEC-12, Cheju, Korea, 2001.
3. G Ambrosone, U. Coscia, S. Lettieri, P. Maddalena, C. Privato, “Hydrogenated Amorphous Silicon Carbon
Alloys for Solar Cells”, E-MRS Spring Meeting, Symposium P (Thin Film Materials for Photovoltaics),
Strasbourg, France, 2001.
4. U. Coscia, G Ambrosone, P. Maddalena, S. Lettieri, M. Ambrico, C. Minarini, “Influence of molecule dwell
time on optical and structural properties of µc-Si:H films”, E-MRS Spring Meeting, Symposium P (Thin
Film Materials for Photovoltaics), Strasbourg, France, 2001
5. G Ambrosone, U. Coscia, P. Maddalena, G. Conte, “Optical and Transport Properties of Laser Treated aSiC:H films”, E-MRS Spring Meeting, Symposium F (Amorphous and Crystalline silicon Carbide: Materials
and Applications), Strasbourg, France, 2001
6. G Ambrosone, U. Coscia, S. Lettieri, P. Maddalena, S. Ferrero, “Optical, Structural and Transport Properties
of µc-Si:H films Deposited by SiH4+H2”, 19th International Conference on Amorphous & Microcrystalline
Semiconductors Science & Technology, Nice, France, 2001.
7. G. Ambrosone, U. Coscia, P. Maddalena, M. Ambrico, C. Minarini, S. Esposito, A.Buonanoce, P. Rava,
“Characterization of c -Si:H Films Prepared by PECVD”, 17th European Photovoltaic Solar Energy
Conference and Exhibition, Munich, Germany, 2001.
EFFETTI DELL'INTERAZIONE ELETTRONE-FONONE
IN CUPRATI E MANGANITI
V. Cataudella, G. De Filippis*, G. Iadonisi, V. Marigliano Ramaglia, E. Piegari*, C.A. Perroni, F. Ventriglia
Attività 2001
Il crossover tra polaroni grandi e piccoli è stato ampiamente studiato sia nello schema di
interazione a lungo range di Frohlich che nel modello di Holstein. Si è poi passati a
considerare il problema della coesistenza tra polaroni grandi e piccoli in sistemi a molti
polaroni, dimostrando che in sistemi quale il La1-xCaxMnO3, il diagramma di fase per 0<x<0.5
264
mostra transizioni tra una fase metallica ferromagnetica and una isolante paramagnetica o
isolante antiferromagnetica in cui, tra l’altro, la coesistenza di polaroni grandi e piccoli gioca
un ruolo essenziale.
Lo stesso schema teorico è stato poi utilizzato per calcolare l’ assorbimento nella regione del
lontano infrarosso in funzione sia della temperatura che del drogaggio, ottenendo risultati
quantitativamente confrontabili con quelli sperimentali.
Si è iniziato uno studio degli effetti polaronici nei nanotubi di carbonio
Programma 2002
Si porteranno a termine le ricerche iniziate nel 2001 ed, in particolare, si studieranno la
magnetoresistenza e l’ effetto isotopico (sostituzione O16 con O18) nelle manganiti. Si intende,
inoltre, iniziare a studiare le proprietà dei film di manganiti in cui l’ effetto dello “strain”,
indotto dal substrato, può modificarne il complesso diagramma di fase.
Si continuerà anche lo studio degli effetti polaronici nei nanotubi di carbonio.
The crossover between large and small polarons has been deeply studied using both the long range (Frohlich
model) and the short (Holstein model) electron-phonon interaction. The coexistence of large and small polarons
in manganites, as La1-xCaxMnO3, play an important role in the stabilazation and characterization of different
phases. The transition between the ferromagnetic metallic phase and the antiferromagnetic or paramagnetic
metallic phases can be related with the crossover between large and small polarons.
In the same theoretical frame, the far infrared optical absorption has been calculated, showing results in good
agreement with the experimental data.
The study of the polaron effects in carbon nanotubes became.
2002 Program
The research on the mutual influence between polarons and magnetism in manganites will continue; in
particular the magnetoresistivity and the isotopic effect (O16 to O18) will be considered. Furthermore, we will
start to study manganite films where the strain induced by the substrate can modify the phase diagram of the
bulk material.
The polaron theory in carbon nanotubes will be continued
Pubblicazioni 2001
1.
2.
3.
4.
Crossover from large to small bipolaron, G. Iadonisi, G. De Filippis, V. Cataudella, C.A. Perroni, Jour.
Phys.: Condensed Matter 13, 1499 (2001)
Coexistence of large and small polarons in manganites, V. Cataudella, G. De Filippis and G. Iadonisi, Phys.
Rev. B 63, 52406 (2001)
Polaron and bipolaron formation in the Hubbard-Holstein model: role of the next-nearest neighbor electron
hopping, G. De Filippis, V. Cataudella, G. Iadonisi, V. Marigliano Ramaglia, C.A. Perroni and F. Ventriglia,
Phys. Rev. B 64, 155105 (2001)
Spectral properties and infrared absorption in manganites, C.A. Perroni, G. De Filippis, V. Cataudella and
G. Iadonisi, Phys. Rev. B 64, 144302 (2001)
Contributi su libri scientifici a diffusione internazionale
−
Coexistence of large and small polarons in manganites and cuprates, G. Iadonisi, V. Cataudella, G. De
Filippis, C.A. Perroni, E. Piegari and, F. Ventriglia, in “Electrons and phonons in solids”, Quaderni della
Scuola Normale Superiore, Pisa 2001, pag. 323
265
Referee di riviste internazuionali
−
−
G. Iadonisi è referee dei giornali Phys. Rev. B e Phys. Rev. Lett.
V. Cataudella è referee dei giornali European Journ. Phys. B, Phys. Rev. B e Phys. Rev. Lett.
EFFETTI MAGNETICI IN RETICOLI DI GIUNZIONI JOSEPHSON
V. Cataudella
Attività 2001
Si è affrontato lo studio di un reticolo con struttura esotiche "T3" che ha attirato recentemente
l' interesse di alcuni gruppi sperimentali. In particolare in questi reticoli sono presenti
fenomeni di localizzazione in assenza di disordine. In collaborazione con R. Fazio dell’
Università di Catania si è affrontato lo studio delle proprietà di correlazione dei vortici
presenti in questi sistemi utilizzando il modello XY frustrato. Si è dimostrata l’ esistenza di
un’ inaspettata fase vetrosa a bassa temperatura che trova riscontro nell’ analisi sperimentale
di queste strutture.
Programma 2002
Si continuerà a studiare il reticolo T3 per arrivare a capire qualitativamente I meccanismi che
conducono ad un comportamento vetroso in queste strutture senza disordine.
We have studied a lattice with the “T3”structure. This geometry has attracted recently the interest of
experimental groups which have shown localization effects without disorder. In collaboration with R. Fazio
(University of Catania) the vortex correlations in the T3 lattice has been studied by using an XY frustrated
model.. We proved the existence of an unexpected glass phase at low temperature that has been detected
experimentally.
2002 Program
We will continue to study the T3 lattice in order to understand qualitatively the mechanism that leads to a glassy
behaviour in these structures without disorder.
FISICA DELLE NANOSTRUTTURE
F. Buonocore*, G. Cantele*, L. Lancellotti*, G. Iadonisi, F. Liguori*, D. Ninno
Attività 2001
È continuato lo studio degli stati elettronici di particella singola, delle proprietà ottiche e degli
effetti di correlazione tra elettroni in dots e fili quantici. Alcune proprietà ottiche e di trasporto
dipendenti dalla forma del sistema sono state messe in evidenza e confrontate con i dati
sperimentali.
E’ iniziato un approfondito lavoro preliminare per imparare tecniche di calcolo parallelo da
applicare al calcolo da principi primi di stati elettronici di nanostrutture.
266
Programma 2002
L’attività si concentrerà principalmente su calcoli da principi primi di spettri elettronici di
nanostrutture. A questo scopo sono iniziate collaborazioni con gruppi esteri in Belgio ed in
Inghilterra.
The study of electronic, optical and transport properties of quantum dots and wires is continued in this year,
obtaining new features of the systems shape depending.
A large part of the activity has been dedicated to the study of the techniques of parallel numerical calculation to
begin a new research in the field of the calculation of the properties of nanostructures obtained from
calculations from the atomic properties.
2002 Program
The work will be mainly dedicated to the calculations of physical features of nanostructures using advanced
techniques of parallel calculus.
To this end new collaborations have been established with groups in Belgium and England.
Pubblicazioni 2001
1. Localized states in arbitrarily shaped quantum wire: a variation-perturbation technique, F. Buonocore, D.
Ninno, G. Iadonisi, physica status solidi (b) 225, 343 (2001)
2. Calculation of plasmonic dispersion in quantum wires: state filling, shape confinement and angular
degeneracy effects, F. Liguori, F. Buonocore, D. Ninno, G. Iadonisi, Phil. Magazine B 81, 365 (2001)
3. Calculation of the infrared optical transitions in semiconductor ellipsoidal quantum dots, G. Cantele, D.
Ninno, G. Iadonisi, Nano Letters 1, 121 (2001)
4. Shape effects on the one- and two-electrons ground state in ellipsoidal quantum dots, G. Cantele, D. Ninno
and G. Iadonisi, Phys. Rev. B 64, 125325 (2001)
Contributi su libri scientifici a diffusione internazionale
1.
2.
Electronic states and optical properties in quantum wires and dots, G. Iadonisi, F. Buonocore, G. Cantele, G.
Di Francia, V. Marigliano and D. Ninno, in “Electrons and photons in Solids”, Quaderni della Scuola
Normale Superiore, Pisa 2001, pag. 311
Chemical sensing with nanostructures, G.DiFrancia, M. L. Addonizio, G. Cantele, M. Della Noce, V. La
Ferrara, L. Lancellotti, P. Morvillo, D. Ninno and L. Quercia, in: Proceedings of the 6th National
Conference on Sensors and Microsystems, Pisa, 5-7 February, 2001, edited by C. Di Natale, A. D'Amico
and P. Dario (World Scientific, Singapore, 2001)
Comunicazioni a conferenze nazionali
−
Chemical sensing with nanostructures - G. Di Francia, L. Addonizio, G. Cantele, M. Della Noce, V. La
Ferrara, L. Lancellotti, P. Morvillo, D. Ninno and L. Quercia, Oral presentation, 6th National Conference on
Sensors and Microsystems, Pisa, Italia, 5-7 Febbraio 2001.
−
D. Ninno è referee dei giornali Jour. Phys. A-B-C-D
267
ACCOPPIAMENTO SPIN-ORBITA IN NANOSTRUTTURE IBRIDE
V.Marigliano Ramaglia, D. Bercioux, V. Cataudella, G. De Filippis, C.A. Perroni, F. Ventriglia
Programma 2002
Ci si propone uno studio sistematico dell'effetto Rashba per la progettazione di filtri di spin
[5],[6]. Si vuole mettere in evidenza come una striscia di elettroni bidimensionale collegata ad
elettrodi costituiti da quantum wire ferromagnetici agisca come un interferometro alla FabryPerot il cui contrasto è regolabile attraverso la forza dell'accoppiamento spin-orbita. Obiettivo
del primo anno è quello di condurre una analisi dettagliata dell'effetto Rasbha in dot
quantistici o in oggetti di taglia un po’ più grossa ("stub").
2002 Program
We propose a systematic investigation of Rashba effect for designing spin filter devices [5,6]. We want to study
the electron transport in a finite 2D stripe connected with ferromagnetic quantum wires beyond the onedimensional approximation and to show how it exhibits Fabry Perot features. We expect that he interferometer
contrast can be tuned by the strength of spin-orbit coupling. The first year goal will be a deep analysis of
Rashba effect in quantum dots and in larger structures (stubs).
RELATIVITÀ SPECIALE E NANOSTRATI DI SILICIO
B. Preziosi
Attività 2001
In collaborazione con G. Marmo, si è portato a conclusione un programma, iniziato nel 1998,
tendente ad individuare le ipotesi minime che implicano la trasformazione di Lorentz (e le
corrispondenti trasformazioni limite, Galilei e Carroll). Si è giunti alla conclusione che le
trasformazioni lineari che soddisfano la "esistenza oggettiva" (un fenomeno, che viene visto
da un osservatore inerziale evolvere nel tempo, non può essere visto da un altro osservatore
inerziale esaurisci in un solo istante di tempo) sono di tipo Lorentz. Esse sono caratterizzate
da invarianti (che giocano il ruolo di velocità limiti) che possono assumere valori differenti
nelle diverse direzioni spaziali; ciascuno di tali invarianti può diventare infinito (Galilei) o
null (Carroll). Nel caso in cui il valore di tali invarianti sono tutti finiti, la struttura dello
spazio è necessariamente euclidea. Tale analisi è riassunta nel lavoro, inviato ad International
Journal of Theoretical Physics: G. Marmo and B. Preziosi: On the minimal hypotheses
implying Lorentz transformations.
Programma 2002
L'attività si concentrerà in una collaborazione teorica con il gruppo dell'ENEA di Portici
diretto dal dr Rubino diretto allo sviluppo e caratterizzazione di materiali semiconduttori di
spessore nanometrico su substrati diversi.
During this year we have concluded, in collaboration with G. Marmo a program, initiated in 1998, devoted to
find out the minimal hypotheses implying Lorentz transformations (and its limits, Galilei and Carroll). We have
concluded that the linear trasnformations whiche satisfy the "objective existence" (a phenomenon, which is seen
to evolve in time by an inertial observer, cannot be seen by another observer as existing only in a very instant)
have Lorentz form. They are characterized by invariants (which play the role of limit velocities) and which may
268
have diffent values for different space directions; any of these invariant may become infinite (Galilei) or null
(Carroll). When they are all finite, the space structure is necessarily Euclidean. This analysis is contained in the
paper which has been submitted to International Journal of Theorertical Physics: G. Marmo and B. Preziosi: On
the minimal hypotheses implying Lorentz transformations.
2002 Program
The activity will be concentrated on a theoretical collaboration with the Portici ENEA group directed by A.
Rubino on the development and characterization of semiconductor nano-slices on different supports.
Attività editoriale
−
Quantum gravity and spectral geometry, Elsevier NL (coeditors G. Esposito, G. Miele, B. Preziosi)
Comunicazioni a conferenze
−
−
Symmetries in Physics, Bregenz July 2001
Congresso della SIF 2001, invited speaker
−
B. Preziosi è referee de Il Nuovo Cimento, European Jour. Phys. B.
SISTEMI MESOSCOPICI E FLUTTUAZIONI QUANTISTICHE
D.Giuliano, P.Onorato, A.Tagliacozzo,G.P.Zucchelli
Attività 2001
− Proprietà elettroniche e di trasporto di Dot quantistici
Effetti di correlazione in Dot quantistici isolati sono stati studiati con metodi di numerici di
diagonalizzazione esatta per N elettroni (N<7) in un dot verticale a confinamento parabolico
in presenza di un campo magnetico perpendicolare lungo l'asse della colonna. Si è studiata la
conduttanza lineare del sistema a valori del campo magnetico per i quali avviene una
transizione a stati di spin più alto e si è dimostrato la possibilità di misurare la transizione
attraverso una misura di conduttanza. Per valori dei potenziali di gate tali che la conduttanza
lineare perturbativa è assente ed il dot è isolante ad un numero fisso di particelle è pur tuttavia
possibile avere conduttanza non perturbativa se la temperatura è sufficientemente bassa
(effetto Kondo nei dot). In particolare, è stata studiata una realizzazione di effetto Kondo per
cui il dot conserva un numero
di particelle pari ma il momento magnetico è semidispari (frazionalizzazione dello spin ).
Si è inoltre proposta la possibilità che per un particlare valore del campo magnetico si abbia
un Kondo a spin 1/2 a due canali. La conduttanza che si è calcolata ha un andamento in
temperatura che non rientra nello schema interpretativo dei “Liquidi di Fermi”.
− Eccitazioni di spin in antiferromagneti quantistici unidimensionali
Risultati analoghi a quelli ottenuti per la dinamica di due spinon nel modello di HaldaneShastry sono stati derivati a proposito alle eccitazioni elementari del modello di KuramotoYokoyama: l'estensione supersimmetrica del modello di Haldane Shastry, che prevede gradi
di libert\à di carica, in aggiunta allo spin. Le corrette eccitazioni elementari del modello di
Kuramoto-Yokoyama sono fornite da modi collettivi che portano spin 1/2, ma carica 0 (gli
269
spinon) e modi che portano spin 0, ma carica 1 (gli holon). Una buca, allora, decade
immediatamente in una coppia spinon-holon La dinamica di una coppia spinon-holon è stata
studiata nell'ambito di soluzioni esatte del modello di Kuramoto-Yokoyama. I risultati
mostrano che spinon ed holon interagiscono tramite un potenziale attrattivo a corto raggio che
non ha effetti quando le due particelle sono sufficientemente distanti l'una dall'altra ma
determina una forte amplificazione per la probabilità di configurazioni dove spinon ed holon
sono a piccole separazioni tra di loro. Questo corrisponde all'assoluta instabilità della buca ed
al conseguente deconfinamento di spinon ed holon
Programma 2002
− Proprietà elettroniche e di trasporto di Dot quantistici
Si sta esplorando l'influenza che ha l'accoppiamento di spin -orbita sulla conduttanza quando
si sia a diverso spin totale per il dot. In particolare, lo studio della densità di spin sul dot
consente di discutere eventuali effetti di Spin Blockade nella conduttanza. Si sta, inoltre,
studiando la possibilità di misurare effetti di fase geometrica (Fase di Berry) in un dot vicino
ad una degenerazione accidentale tra due livelli, con possibili applicazioni alla computazione
quantistica.
− Eccitazioni di spin in antiferromagneti quantistici unidimensionali
Si lavorerà sull’estensione dei risultati inerenti il calcolo, in termini di funzioni d’onda a più
spinon, dei fattori di forma per diffusione di neutroni su catene antiferrognetiche a
temperatura finita, allo scopo di ricostruire per intero le misure sperimentali effettuate su
composti antiferromagnetici quasi monodimensionali.
Si sta studiando, inoltre, l’applicazione della tecnica usata per studiare l’interazione tra spinon
e tra spinon ed holon alla dinamica di eccitazioni di edge di un fluido Hall frazionario (anioni
di Laughlin), allo scopo di interpretare recenti misure di shot noise su barre Hall a filling 1/3 e
2/5 intermini di attrazione tra anioni.
− Transport and electronics properties of Quantum Dots
Kondo resonant conductance can occur in a quantum dot in the Coulomb blockade regime, if the dot state is
spin degenerate. As a consequence, the Kondo anomaly is expected in dots with an
odd number N of electrons. We consider a quantum dot with bottom and top contacts in a pillar configuration,
and a magnetic field B along the axis. If B is strong enough, it usually lifts the spin degeneracy of the dot. This
usually prevents the system from developing Kondo effect.
However, if one tunes B to the value B* where dot’s levels with different total spin S cross, the degeneracy gets
restored and Kondo conductance may occur. In the even-N case, a crossing is expected between states with
S=0 and S=1.
We have analyzed in detail the case of a dot charged with N=2 electrons. Coupling to the contacts is
antiferromagnetic due to a spin selection rule, which factors the Kondo state for the dot interacting with the
contacts. In the ground state the charge is unchanged while the total spin on the dot is screened to S=1/2.
Also, from numerical diagonalization results for a quantum dot with five electrons, we have proposed the
possibility that an orbital two-channel (overscreened) spin-1/2 Kondo effect may arise at the dot. In this case, we
predicted non Fermi liquid behavior in the temperature dependence of the conductance, as a signature of the
Kondo anomaly.
− Spin excitations in quantum onedimensional antiferromagnetics
Haldane-Shastry model is the prototype of a one-dimensional antiferromagnet, in that it is able to “catch” all
the relevant physics of a one-dimensional antiferromagnetic spin-liquid. In the same fashion, its supersymmetric
counterpart, the Kuramoto-Yokoyama model, can account for low energy properties of a one dimensional
electron gas, where charged excitations are allowed, as well. Spin-charge separation implies low-energy
excitations with spin, but not charge (spinons), and charge, but not spin (holons). By extending a previous work
270
done on the spin system, the exact one-spinon, one-holon wavefunction has been calculated. The result shows
that, while the excitations are independent quasiparticles in the thermodynamic limit, they experience a marked
short-range attraction, though. The main effect of such an interaction is a non analytical behavior of the holespectral density of states,which can be seen, for instance, in an Angle Resolved Photoemission Experiment, as a
direct experimental evidence of spinon-holon attraction.
2002 Program
− Transport and electronics properties of Quantum Dots
We are exploring the effects of the spin-orbit coupling on the conductance, when the spin of the dot is different
from zero. In particular, studying the spindensity at the dot allows to analyze effects of the spin-Blockade on the
conductance. Also, we are spelling out the possibility of getting a geometric phase (Berry phase) in a dot close
to an accindental degeneracy between two energy levels, together with possible applications to quantum
computing.
− Spin excitations in quantum onedimensional antiferromagnetics
A first research project concerns the finite-temperature calculation of the structure factors for neutron
scattering in a one-dimensional antiferromagnetic chain in terms of many-spinon wavefunctions. The main goal
of such a research line is to reconstruct the results of measurements perfomed, at finite T, on quasi onedimensional antiferromagnetic compounds. A second research line concerns the extension of the technique used
to study the interaction between spinons and spinons and holons to edge excitations of a Fractional Hall Fluid
(Laughlin’s anyons), in order to explain recent measurements of shot noise at the edges of a Hall bar at filing
1/3 and 2/5 in terms of attraction among anyons.
Pubblicazioni 2001
1. D.Giuliano, B.Jouault, A.Tagliacozzo, “Kondo ground state in a quantum dot with an even number of
electrons in a magnetic field”, Phys.Rev. B63,125318 (2001)
2. B. A. Bernevig, D. Giuliano, R. B. Laughlin, “Spinon Attraction in Spin-1/2 Antiferromagnetic Spin
Chains”, Phys. Rev. Lett. 86 (2001), pagg. 3392 - 3395;
3. B. A. Bernevig, D. Giuliano, R. B. Laughlin, “Coordinate Representation of the Two-Spinon wavefunction
and Spinon Interaction in the Haldane-Shastry model'”, Phys. Rev. B 64 (2001), 024425-1 - 024425-18;
4. B. A. Bernevig, D. Giuliano, R. B. Laughlin, “Spinon-Holon Attraction in the Supersymmetric t-J model
with 1/r^2-interaction”, Phys. Rev. Lett. 87 (2001), 177206-1 - 177206-4
5. D.Giuliano, B.Jouault, A.Tagliacozzo: “ Compensation of the spin of a Quantum Dot at Coulomb
Blockade”, contributo al volume “Macroscopic Quantum Coherence and Computing - MQC2” , Napoli, June
14-17 ( 2000), edito da D.V.Averin, B.Ruggiero,P.Silvestrini, pg 325-340, Kluwer Academic Plenum
Publishers (New York ) (2001)
6. D.Giuliano, A.Tagliacozzo “Measuring tunnel currents in a quantum dot: entanglement of the system and
the contacts”, contributo al volume “Timés arrows, Quantum measurement and Superluminal behaviour'”,
edito da D.Mugnai, A.Ranfagni e L.S.Schulman, Napoli, October 3-5 2000, Edizioni CNR,pg. 207-220
(2001).
Conferenze internazionali:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
A.Tagliacozzo, Seminari ed attività nell'ambito del progetto TMR-Project FMRX CT-0180 e Action Cost
P5 presso TU di Delft (Olanda).
A.Tagliacozzo, Lezioni tenute alla Scuola "N & N2001: Nanotubes and Nanostructures ", LNF-Frascati,
17-27 Ottobre 2002, in pubblicazione a cura di S.Bellucci
D.Giuliano: “Spinon Interaction in Spin-1/2 Antiferromagnetic Spin Chains”, APS March Meeting, Seattle,
Marzo 2001
D.Giuliano: “Spinon-Holon Attraction in the supersymmetric t-J-model with 1/r^2-interaction”, Summer
School on LOW-DIMENSIONAL QUANTUM SYSTEMS:Theory and Experiment, ICTP, Trieste, Luglio
2001
D.Giuliano : “Attraction Between Spinons and Holons in Correlated Systems”, Strongly-Correlated Electron
Systems: Low-Dimensional Field Theory at Work in Condensed Matter'', Capri, Agosto 2001
D.Giuliano: “Josephson Current in a Quantum Dot in the Kondo Regime Connected to two
Superconductors”, Transport and Dynamics in Complex Electronic Materials'', Oporto, Settembre 2001
271
Conferenze organizzate dalla struttura
−
−
workshop internazionale "Strongly correlated electron systems: Low dimensional field theory at work in
Condensed Matter ", presso Villa Orlandi,Anacapri 29 Agosto-1 Settembre 2001 con la
partecipazione di oltre 40 ricercatori. http://www.na.infn.it/congr/Workshop/Main.htm
Attività come Referee
−
−
A.Tagliacozzo è referee di Phys. Rev. Lett, Phys. Rev. B, Europhys. Lett., Jou.phys. B e progetti nazionali
PRIN.
D.Giuliano è referee di Phys. Rev. Lett e di Phys. Rev. B.
272

dipartimento di scienze fisiche rapporto di attività 2001

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