Dipartimento di Scienze Fisiche - home

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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI
“FEDERICO II”
DIPARTIMENTO DI SCIENZE FISICHE
RAPPORTO DI ATTIVITÀ
2000
Complesso Universitario di Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 NAPOLI
Tel. 081 676289 - Fax 081 676352
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INDICE
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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
(*) = ricercatori non afferenti al Dipartimento
Attività di Ricerca
ASTROFISICA E FISICA DEI PLASMI
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Fisica Solare
(C. Marmolino, A. Salvatore*, L.A. Smaldone)
Fisica delle galassie
(M. Capaccioli)
Astrofisica delle stelle variabili
(F. Barone, L. Milano, R. Tagliaferri*, A. Vittone*, L. Errico*, D. Chocol*, T. Priboulla*)
Rivelazione di onde gravitazionali
(F. Barone, E. Calloni, L. Di Fiore*, F. Garufi*, L. Milano, R. Tagliaferri*)
Interferometria Laser di elevata precisione
(F. Barone, E. Calloni, L. Di Fiore*, G. Di Sciascio*, L. Milano, L. Rosa, C. Stornaiolo*)
Fisica del plasma
(U. de Angelis, A. Forlani)
FISICA GENERALE
CIBERNETICA E INFORMATICA
- Intelligenza artificiale, reti neurali
(M. Benerecetti, E. Catanzariti, G. Criscuolo, F. Cutugno, F.E. Lauria, E. Minicozzi,
G. Trautteur)
DIDATTICA DELLA FISICA
- Didattica della Fisica, formazione insegnanti ed Applicazioni degli elaboratori nella didattica
(E. Balzano, P. Ferraro*, P. Guidoni, G. D’Ajello Caracciolo*, S. Lombardi, G. Mendella*,
G. Monroy, C. Paolantonio*, E. Sassi, I. Testa*)
EPISTEMOLOGIA E METODOLOGIA
- Calcolabilità effettiva e Leggi fisiche
(S. Guccione)
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GEOFISICA
- Modellistica fisica di processi vulcanici
(G. Giberti, G. Sartoris, G. Russo)
- Geofisica applicata
(F. Cammarano* , B. Di Fiore*, R. Di Maio, T. Juliano*, P. Mauriello*, D. Patella, Z.
Petrillo*, C. Talia*, T. Vanorio*)
- Sismologia
(E. Auger*, L. Bernard*, A. Bobbio*, M. T. Bonagura*, P. Capuano*, V. Convertito*, L.
D’Auria*, S. de Lorenzo*, D. La Torre*, R. De Matteis*, A. Emolo*, G. Festa*, P.
Gasparini, A. Herrero*, G. Iannaccone*, L. Improta*, S. Nielsen, G. Russo*, M. Simini*, A.
Zollo)
STORIA DELLA FISICA
- Studi storici sulla strumentazione antica e della tradizione scientifica locale
(A. Borrelli*, P. Brenni*, E. Schettino, R. Spadaccini*, M. Torrini)
FISICA DEI NUCLEI E DELLE RADIAZIONI
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)
FISICA NUCLEARE SPERIMENTALE
- Evaporazione e fissione di nuclei composti altamente eccitati
(A. Brondi, M. Di Meo*, G. La Rana, R. Moro, E. Vardaci)
- Reazioni nucleari indotte da ioni pesanti
(A. Boiano*, A. De Rosa, M. Di Pietro*, G. Inglima, M. La Compara, A. Ordine*, D.
Pierroutsakou*, M. Romoli*, M. Sandoli)
- Collisioni nucleo-nucleo
(N. De Cesare, E. Rosato, M. Vigilante)
- Astrofisica nucleare
(L. Campajola, A. D'Onofrio*, L. Gialanella, G. Imbriani*, C. Lubritto*, V. Roca, M.
Romano, C. Sabbarese*, F. Terrasi*)
FISICA ATOMICA
- Ionizzazione in orbitali atomici interni
(D. Grassi*, N. De Cesare, E. Perillo, G. Spadaccini, M. Vigilante)
FISICA NUCLEARE APPLICATA
- Analisi di materiali con uso di fasci ionici
(L. Campatola, G. Gialanella, R. Moro, E. Perillo, G. Spadaccini)
- Spettrometria di massa ultrasensibile con l'acceleratore tandem TTT-3
(L.Campajola, A. D'Onofrio*, L. Gialanella*, G. Imbriani, C. Lubritto*, V. Roca, M.
Romano, C. Sabbarese*, F. Terrasi*)
- Ricerche interdisciplinari in campi di interesse industriale
(L. Campatola, N.De Cesare, A.D’Onofrio*, L. Gialanella, V. Roca, M. Romano, F. Terrasi)
SVILUPPO DI NUOVE TECNICHE
- Sviluppo di sistemi di acquisizione per apparati di fisica sperimentale
(A. Boiano*, R. Mordente*, A. Ordine*)
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Apparati di rivelazione per reazioni indotte da ioni pesanti
(A. Boiano*, A. De Rosa, M. Di Pietro*, G. Inglima, M. La Compara, D. Pierroutsakou*, M.
Romoli*, M. Sandoli)
Sviluppo di nuovi rivelatori per radiazione E. M. Rivelatori a semiconduttori composti
(N. De Cesare, D. Grassi*, E. Perillo, G. Spadaccini)
BIOFISICA DELLE RADIAZIONI
- Radiosensibilità cellulare per irraggiamento con adroni
(M. Durante, G. Gialanella, G.F. Grossi, M. Pugliese*, P. Scampoli)
- Dosimetria biologica in radioterapia e della radiazione nello spazio
- Effetti molecolari e cellulari delle radiazioni non ionizzanti
FISICA SANITARIA
- Integrazione di immagini e piani di trattamento in radioterapia
(L. Cella*, M. Durante, G. Gialanella, G. F. Grossi, M. Pugliese*, P. Scampoli)
- Radioattività ambientale. Radioattività naturale: Radon nei materiali e negli ambienti
(G. Gialanella, M. Pugliese*, V. Roca)
- Radioattività artificiale: monitoraggio dell’ambiente
(G. Gialanella, M. Pugliese*, V. Roca*)
FISICA SUBNUCLEARE
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*, 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 ππ ad altissima energia al Large Hadron Collider
(LHC) del CERN (Esperimento ATLAS)
(A. Aloisio*, M.G. Alviggi, E. Biglietti, V. Canale, 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*, M. Severi)
- Tier-3 ATLAS: realizzazione di una farm di calcolo locale come prototipo di tier-3 per
l’esperimento ATLAS
(G.P. Carlino*, G. Chiefari, F. Conventi, D. Della Volpe*, A, Doria*, S. Mele*, L. Merla)
- Studio della violazione di CP nel decadimento dei mesoni K presso l’acceleratore DAFNE
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. Pirozzi*, G. Saracino*)
- Studio della violazione di CP nel sistema B-anti B presso l'acceleratore
PEP II di SLAC (Esperimento BABAR)
(C. Cartaro*, N. Cavallo*, G. De Nardo*, F. Fabozzi*, C. Gatto*, L. Lista*, P. Paolucci*,
D. Piccolo*, C. Sciacca,)
FISICA DEL NEUTRINO
- Ricerca di oscillazioni di neutrini all'SPS del CERN (Esperimento CHORUS)
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(S. Buontempo*, L. Castagneto, A. Cocco*, N. D'Ambrosio*, G. De Lellis*, G. De Rosa, F.
Di Capua, A. Ereditato*, G. Fiorillo, T. Kawamura, M. Messina, P. Migliozzi*, R. Peluso*,
C. Pistillo*, P. Strolin, V. Tiokov*)
Ricerca di oscillazioni di neutrino-µ neutrino-τ con un esperimento “Long Baseline” sul
fascio CNGS dal CERN al Gran Sasso (Esperimento OPERA)
(S. Buontempo*, L. Castagneto, A. Cocco*, N. D'Ambrosio*, G. De Lellis*, G. De Rosa, F.
Di Capua, A. Ereditato*, G. Fiorillo, T. Kawamura, M. Messina, P. Migliozzi*, R. Peluso*,
C. Pistillo*, P. Strolin, V. Tiokov*)
Ricerca di oscillazioni di neutrini di lunga base al laboratorio del Gran Sasso
(Esperimento
NOE/ICANOE)
(G.C. Barbarino, D. Campana*, F. Guarino, G. Osteria*, R. Caruso*)
Studio della produzione di adroni responsabili dei flussi di neutrini nelle neutrino factories,
nell’atmosfera ed agli acceleratori convenzionali (ESPERIMENTO HARP/PS214)
(V. Palladino)
Studio del potenziale scientifico delle neutrino factories e R&D tecnologico finalizzato alla
loro realizzazione (Gruppo di lavoro ECFA sulle NuFact)
(V. Palladino)
Esperimento Monolith
(M. Ambrosio)
FISICA DELLA RADIAZIONE COSMICA
- Studio della radiazione cosmica al laboratorio del Gran Sasso dell’INFN (Esperimento
MACRO)
(M. Ambrosio*, G.C. Barbarino, D. Campana*, F. Guarino, G. Osteria*, R. Caruso*)
- Studio della radiazione cosmica pressa il laboratorio di raggi cosmici di 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, L. Milano, L. Maggese*)
- Esperimento TTC
.
(M. Ambrosio, in collaborazione con gruppi di Catania, LNGS, Milano)
- Esperimento AUGER
(M. Ambrosio, in collaborazione con gruppi italiani e stranieri)
FISICA TEORICA
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-
FISICA TEORICA DELLE INTERAZIONI FONDAMENTALI
Simmetrie, Teoria dei Campi e Fisica della Gravitazione
(G. Bimonte, G. Esposito*, M. Giordano, R. de Ritis, F. Lizzi, G. Marmo, V. Marotta*, G.
Platania, C. Rubano, A. Sciarrino, P. Scudellaro, C. Stornaiolo*, F. Zaccaria)
Fenomenologia delle particelle elementari
(F. Buccella, G. Cosenza, G. D’Ambrosio, A. Della Selva, D. Falcone, Dao-Neng Gao*, G.
Isidori*, O. Pisanti*, K. Nagakawa, G. Ricciardi*, L. Rosa, P. Santorelli, F. Tramontano*)
Fisica Astroparticellare
(S. Esposito, G. Mangano, G. Miele, O. Pisanti)
Teorie di campo conformi ed effetto hall quantistico
(L. Capopiello, G. Cristofano, D. Giuliano*, G. Maiella, V. Marotta*)
Teorie di stringa e gravità quantistica
(L. Cappiello, F. Cuomo*, G. Fiore, A. Liccardo*, R. Musto, F. Nicodemi, R. Pettorino, F.
Pezzella*, G. Sabella).
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MECCANICA STATISTICA
- Meccanica statistica di sistemi disordinati
(A. Caiazzo*, A. Coniglio, E. Del Gado*, A. De Candia*, C. De Michele*, F. Di Liberto, A.
Fierro*, M. Nicodemi*, F. Peruggi, P. Ruggiero)
- Dinamica lenta e sistemi di interesse biologico
(L. Peliti)
- Modelli risolubili in meccanica quantistica
(R. Figari)
- Storia della fisica teorica
(G. Acocella*, F. Bevacqua*, D. Capecchi*, P. Cerreta*, A. Drago, R. Fedele, P. Iacono*,
A. La Sala*, R. Oliva*, A. Pellegrino*, R. Pisano*, F.M. Scarpa, G. Sorrentino*, A.
Venezia*)
METODOLOGIE FISICHE APPLICATIVE
ACUSTICA
- Trasformazioni Adattive Tempo Varianti di Segnali e Modelli Multiwavelet del
Segnale Acustico
Elaborazione numerica dei segnali ed applicazioni acustiche
(S. Cavaliere, G. Evangelista, I. Ortosecco)
ARCHEOMETRIA
- Studio, mediante fluorescenza X, della metallurgia dell’oro e del bronzo nell’Italia
Meridionale
- Realizzazione di un apparato portatile per indagini non-distruttive sulle pitture murali
romane
(G. Paternoster, R. Rinzivillo)
FISICA AMBIENTALE
Sviluppo di metodiche per la caratterizzazione di variabili energetico-ambientali
(M. Macchiato)
FISICA DEI FASCI E DEGLI ACCELERATORI
- Sviluppo di acceleratori di particelle
- Metodologie quantum-like e metodologie convenzionali
(R. Fedele, V. G. Vaccaro)
FISICA MEDICA
- Caratterizzazione rivelatori a GaAS semi-isolante per radiografia digitale e medicina
nucleare
- Rivelatori ibridi a Semiconduttore e Elettronica di Lettura VLSI per Imaging
Biomedico (Mammografia e Autoradiografia Digitale)
- Sviluppo di Sistemi per la Caratterizzazione di Fasci γ per Radioterapia
- (E. Bertolucci, M. Conti, M.C. Montesi*, P. Russo)
FISICA MEDICA
- Rivelazione di oggetti nascosti in mezzi fortemente scatteranti con misure di crosscorrelazione in seconda armonica
- Fotoattivazione di farmaci per l'utilizzo in Terapia Fotodinamica dei Tumori (PDT)
Spettroscopia di tessuti biologici "ex vivo" ed "in vivo"
- Modellistica del trasporto dei fotoni nei tessuti biologici
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(G. Roberti)
MICROELETTRONICA
- Sviluppo di un collegamento ottico parallelo ad alta velocità per il trasferimento dati tra
sistemi digitali
(F. Cevenini)
ONDE ELETTROMAGNETICHE
- Monitoraggio ambientale di campi elettromagnetici
(F.Carbonara, V.G. Vaccaro)
STRUTTURA DELLA MATERIA
FISICA ATOMICA E MOLECOLARE - OTTICA E SPETTROSCOPIA
- Dispositivi a cristalli liquidi per ottica integrata
(G. Abbate, G. Scalia, D.H. Hermann*, J. Boyaval*)
- Ottica Applicata
(F. Bloisi, L. Vicari)
- 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)
- Generazione di radiazione VUV e XUV
(C. Altucci*, R. Bruzzese, C. De Lisio, A. Porzio, S. Solimeno)
- Ottica nonlineare per lo studio di superfici
(L. Marrucci, D. Paparo*, E. Santamato)
- Ottica nonlineare nei cristalli liquidi
(L. Marrucci, D. Paparo*, B. Piccirillo*, E. Santamato)
- Spettroscopia laser ad elevata risoluzione e sensibilità
(A. Bruno, N. Malagnino*, G. Pesce*, G. Rusciano*, A. Sasso)
- Ottica Quantistica
( A. Porzio*, S. Solimeno)
- Fisica degli atomi ultrafreddi
(G. Affinito, L. Cacciapuoti*, A. Castrillo, M. De Angelis*, G. M. Tino)
- Ricerca di violazioni della connessione spin statistica
( M. De Angelis*, G. Gagliardi*, L. Gianfrani*, G. M. Tino)
- Tecniche di spettroscopia laser ed applicazioni alla fisica dell'atmosfera
(M. Armenante*, A. Borselli, N. Spinelli, R. Velotta, X. Wang)
- Plasmi in Fisica Atomica
(S. Amoruso*, M. Armenante,* R. Bruzzese, N. Spinelli, R. Velotta, X. Wang)
SUPERCONDUTTIVITA'
- Fisica di superconduttori in regime stazionario e non stazionario
( A. Barone, L. Parlato*, G. Peluso, G. Pepe, M. Valentino*, A. Ruosi*)
- Superconduttività in sistemi metallici non convenzionali
(A. Andreone, C. Aruta*, A. Cassinese*, R. Di Capua, M. Iavarone*, M. Salluzzo*, R.
Vaglio)
- Film sottili epitassiali e dispositivi basati su superconduttori ad alta Tc e su altri ossidi di
metalli di transizione
(F. Lombardi, F. Miletto Granozio*, U. Scotti di Uccio, F. Ricci, F. Carrello, F. Tafuri*)
FISICA DEI SEMICONDUTTORI
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Crescita e caratterizzazione di film a base di silicio
(G. Ambrosone, U. Coscia, V. Parisi)
Proprietà termiche e ottiche di materiali innovativi e dispositivi basati su semiconduttori
(U. Bernini, S. Lettieri*, P. Maddalena, A. Ramaglia)
Effetti dell’interazione Elettrone-Fonone in cuprati e manganiti
(V. Cataudella, G. De Filippis*, G. Iadonisi, F. Ventriglia, V. Marigliano Ramaglia, E.
Piegari*, C.A. Perroni)
Effetti magnetici in reticoli di giunzioni Josephson
(V. Cataudella)
Emissione di luce da silicio poroso
(F. Buonocore*, G. Cantele*, L. Lancellotti*, G. Iadonisi, F. Liguori*, D. Ninno)
Sistemi mesoscopici e fluttuazioni quantistiche
(D. Giuliano*, V. Marigliano Ramaglia, P. Onorato*, A. Tagliacozzo, F. Ventriglia, G. P.
Zucchelli)
Problemi relativistici
(B. Preziosi)
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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 2000 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 2000, 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 2000 afferivano al Dipartimento 114 Professori di ruolo, 47 Ricercatori e 32 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 26 e 4
Ricercatori e 40 e 7 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 2000 ha avuto un bilancio di circa 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 32 dipendenti fra tecnici ed amministrativi).
Il fondo dell’Università per il funzionamento è stato nel 2000 di soli 564ML.
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.
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 post-doc finanziate
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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 2000 hanno prodotto 257 pubblicazioni su riviste internazionali con referee, 300
interventi orali a congressi nazionali ed internazionali, di cui 130 pubblicati, 7 libri di fisica ad
argomento specialistico e all’organizzazione di 9 congressi e workshops.
I finanziamenti per la ricerca ricevuti dal Dipartimento nel 2000, a seguito delle richieste di
singoli o gruppi di docenti e ricercatori, sono stati ottenuti dall’Ateneo per L 952ML, dai fondi
PRIN ’99 per 518ML, da altri fondi MURST per 243ML, dal CNR per 73ML, dalla UE per
567ML e da altri enti per 819ML.
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.
Nel 2000 si è completato il trasferimento del Dipartimento, dalla sede della Mostra d'Oltremare
alla nuova sede ubicata negli edifici Ma ed N’ del complesso universitario di Monte
Sant'Angelo. Ai problemi del “vecchio” si sono sostituiti i problemi del “nuovo”, ma il
Dipartimento di Scienze Fisiche ha finalmente una sede degna di livello europeo.
Il Dipartimento ha creato una struttura che ha permesso l’adesione 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 Museale
Il Direttore
Prof. Giuseppe Iadonisi
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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. +39-81-67.62.89
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:
47 Professori Ordinari
68 Professori Associati
47 Ricercatori
3 Rappresentanti del personale non docente
3 Rappresentanti dei Dottorandi di Ricerca
- Segretario 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
Personale Docente e Ricercatore
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Nome
Fac.
Corso di Laurea
Prof. Ordinari
Barone A.
Bartoli B.
Bertolucci E.
Buccella F.
Capaccioli M.
Caramico A.
Civetta L.
Ing.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci
Ing. Elettronica
Ing. Chimica
Sc. Biologiche
Fisica
Fisica
Ing. Meccanica
Geologia
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Materia di Insegnamento
Struttura della Materia
Fisica II
Laboratorio di Fisica
Fisica Teorica
Astronomia
Fisica II
Geofisica Nucleare
8. Coniglio A.
9. Covello A.
10. D'Ettorre B.
11. Gasparini P.
12. Gialanella G.
13. Guidoni P.
14. Iadonisi G.
15. Indovina P.
16. Lanotte L.
17. Lauria F.
18. Lo Iudice N.
19. Marmo G.
20. Merola L.
21. Milano L.
22. Moro R.
23. Murtas G.P.
24. Musto R.
25. Napolitano M.
26. Nicodemi F.
27. Patella D.
28. Patricelli S.
29. Peliti L.
30. Perillo E.
31. Pettorino R.
32. Porreca F.
33. Preziosi B.
34. Rinzivillo R.
35. Sandoli M.
36. Santamato E.
37. Sassi E.
38. Sciacca C.
39. Silvestrini V.
40. Solimeno S.
41. Spadaccini G.
42. Spinelli N.
43. Strolin P.
44. Trautteur G.
45. Vaccaro V.
46. Vaglio R.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Ing.
Fisica
Fisica
Fisica
Geofisica e Vul.
Fisica
Fisica
Fisica
Sc. Biologiche
Ing. Civile
Fisica
Fisica
Fisica
Fisica
Sc. Biologiche
Chimica
Ing. Edile
Fisica
Fisica
Fisica
Geofisica e Vul.
Fisica
Fisica
Matematica
Fisica
Dipl. Infrastrut.
Fisica
Fisica
Fisica
Fisica
Fisica
Sc. Biologiche
Ing. Elettronica
Fisica
Fisica
Ch. Industriale
Fisica
Fisica
Ing. T. comunicazioni
Ing. Elettronica
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
Istituzioni di Fisica Teorica
Fisica Generale I
Fisica II
Meccanica Quantistica
Ist. di Fisica Nucleare e Subnucleare
Istituzioni di Fisica Teorica
Geofisica Applicata
Esperimentazioni di Fisica III
Meccanica Statistica
Fisica Generale I
Relatività
Fisica I
Fisica Generale I
Complementi di Fisica Generale II
Istituzioni di Fisica Nucleare e Subnucleare
Fisica Generale I
Didattica della Fisica
Fisica
Fisica II
Laboratorio di Fisica II
Fisica Generale II
Fisica Superiore
Cibernetica
Propagazione
Fisica I
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Ch. Industriale
Fisica
Sc. Biologiche
Fisica
Ch. Industriale
Fisica
Ing. Aeronautica
Sc. Geologiche
Fisica
Fisica Generale I
Metodi Matematici della Fisica
Fisica
Fisica Generale II
Esperimentazioni di Fisica III
Fisica II
Fisica Generale
Fisica delle Particelle Elementari
Prof. Associati
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Abbate G.
Abud M.
Andreozzi F.
Barbarino G.
Bernini U.
Brondi A.
Bruzzese R.
Canale V.
Carbonara F.
-14-
10. Catalanotti S.
11. Cataudella V.
12. Cevenini F.
13. Chiefari G.
14. Cosenza G.
15. Criscuolo G.
16. Cristofano G.
17. De Angelis U.
18. De Ritis R. >
19. De Rosa A.
20. Della Selva A.
21. Di Liberto F.
22. Drago A.
23. Durante M
24. Esposito F.
25. Esposito U.
26. Figari R.
27. Forlani A.
28. Giberti G.
29. Giordano M.
30. Grossi G.
31. Guccione S.
32. Iacovacci M.
33. Inglima G.
34. La Rana G.
35. Luponio C.
36. Macchiato M.
37. Maddalena P.
38. Maiella G.
39. Marigliano V.
40. Mastrocinque 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. Peruggi F.
51. Platania G.
52. Roberti G.
53. Romano M.
54. Rosato E.
55. Ruggiero P.
56. Russo P.
57. Sartoris G.
58. Sasso A.
59. Sciarrino A.
60. Simoni A.
61. Smaldone L.
62. Tagliacozzo A.
Agr.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Ing.
Vet.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Agr.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Med.
Sci.
Sci.
Farm.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Agraria
Informatica
Fisica
Fisica
Fisica
Fisica
Sc. Geologiche
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
Ing. Edile
Veterinaria
Chimica
Fisica
Fisica
Ing. Civile
Fisica
Matematica
Fisica
Scienze dei Materiali
Fisica
Sc. Geologiche
Sc. dell'Aliment.
Fisica
Ing. Aeronautica
Fisica
Fisica
Medicina
Fisica
Fisica
Farmacia
Sc. Biologiche
Fisica
Fisica
Fisica
Fisica
Fisica
Fisica
-15-
Fisica
Fisica Moderna
Elettronica
Esperimentazioni di Fisica I
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
Fisica I
Fisica
Laboratorio di Fisica Generale
Onde Elettromagnetiche
Fisica delle Basse Temperature
Fisica I
Calcolo Operativo
Fisica Generale I
Teoria dei Sistemi a Molti Corpi
Fisica
Fisica
Fisica I
Fisica Generale II
Fisica Spaziale
Fisica
Fisica
Complementi di Fisica Generale I
Fisica Teorica
Fisica Solare
63. Tino G.
64. Velotta R.
65. Vicari L.
66. Zaccaria F.
67. Zollo A.
68. Zucchelli G.
Sci.
Sci
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Matematica
Sci. ed Ing dei Mat.
Dipl. Informatica
Fisica
Geofisica e Vul.
Fisica
Fisica Generale I
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
15
16
Aloisio A.
Alviggi M.
Ambrosone G.
Ambrosino F.
Andreone A.
Andretta A.
Benerecetti M.
Bimonte G.
Bloisi F.
Calloni E.
Campana L.
Cappiello L.
Catanzariti E.
Cataudella V.
Cavaliere S.
Cicchiello L.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Ing.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci..
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
Clarizia A.
Conti M.
Coscia U.
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.
Lizzi F.
Marmolino C.
Marrucci L.
Sci.
Sci.
Agr.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
Miele G.
Nicodemi M.
Ortosecco I.
Pepe G.
Porrino A.
Rosa L.
Rubano C.
Russo G.
Santorelli P.
Schettino E.
Scotti di Uccio U.
Scudellaro P.
Vardaci E.
Ventriglia F.
Vigilante M.
Personale non Docente
Amministrazione
Daniela D’AURIA
Camilla DE FELICE
Annamaria ESPOSITO
Francesco PREZIUSO
Michele SCARPATI
Dino TERRANOVA
Agente Amministrativo
Funzionario Amministrativo
Operatore Contabile
Bidello
Operatore Dati
Agente Amministrativo
Biblioteca
Luciana PALMIERI
Vincenzo DE LUISE
Lidia MANTO
Federica ROMANO
Vittoriana SINISCALCHI
Funzionario Bibliotecario
Assistente Bibliotecario
Operatore Biblioteca
Laboratorio dell'Acceleratore
Luigi CAMPAJOLA
Coordinatore Tecnico
-16-
Sci.
Sci
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Ing.
Sci.
Sci.
Sci.
Sci.
Magazzino
Tommaso LERRO
Operatore Magazziniere
Servizi o Manutenzione
Raffaele AVERSANO
Antonio IMPROTA
Collaboratore Tecnico
Assistente Tecnico
Segreteria Didattico Amministrativa
Vittorio ALLOCCA
Alessandro BARRA
Collaboratore Contabile
Assistente Amministrativo
Segreteria Scientifica
Guido CELENTANO
Salvatore VERDOLIVA
Operatore Amministrativo
Assistente Amministrativo Linguistico
Servizio Elettronica e Rivelatori
Pietro TRATTINO
Collaboratore Tecnico
Servizio di Radioprotezione
Vincenzo ROCA
Maria Gabriella PUGLIESE
Paola SCAMPOLI
Coordinatore Generale
Funzionario Tecnico
Funzionario Tecnico
Supporto ai Gruppi di Ricerca e Laboratori Didattici
Emilio BALZANO
Vincenzo MARZULLO
Antonio RAMAGLIA
Coordinatore Tecnico
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
Gustavo MANNO
Operatore Tecnico
Assistente Amministrativo
Agente Servizi Ausiliari
Operatore Centralinista
-17-
SEZIONI DEL DIPARTIMENTO
(Afferenti)
Calloni
Capaccioli
De Angelis
De Rosa
Astrofisica e Fisica dei Plasmi
Responsabile: Prof. Massimo Capaccioli
Enrico
Forlani
Massimo
Marmolino
Umberto
Milano
Rosario
Smaldone
Fisica Generale
Responsabile: Prof. Paolo Gasparini
Minicozzi
Monroy
Patella
Russo
Sartoris
Sassi
Schettino
Silvestrini
Trautteur
Zollo
Benerecetti
Catanzariti
Cicchiello
Criscuolo
Di Maio
Gasparini
Giberti
Guccione
Guidoni
Lauria
Massimo
Ezio
Loretta
Giovanni
Rosa
Paolo
Grazia
Salvatore
Paolo
Francesco
Andreozzi
Brondi
Campajola
Covello
De Cesare
De Rosa
Durante
Gialanella
Grossi
Inglima
La Rana
Lo Iudice
Fisica dei Nuclei e delle Radiazioni
Responsabile: Prof. Renata Moro
Francesco
Moro
Augusto
Perillo
Luigi
Porrino
Aldo
Pugliese
Nicola
Romano
Antonio
Roca
Marco
Rosato
Giancarlo
Sandoli
Gianfranco
Scampoli
Giovanni
Spadaccini
Giovanni
Vardaci
Nicola
Vigilante
Aloisio
Alviggi
Barbarino
Bartoli
Canale
Catalanotti
Chiefari
D'Ettorre P.
Fisica Subnucleare
Responsabile: Prof. Sergio Catalanotti
Alberto
Guarino
Maria Grazia
Iacovacci
Giancarlo
Merola
Bruno
Murtas
Vincenzo
Napolitano
Sergio
Palladino
Giovanni
Patricelli
Benedetto
Sciacca
-18-
Antonio
Ciro
Leopoldo
Luigi
Eliana
Gabriella
Domenico
Guido
Giovanni
Elena
Edvige
Vittorio
Giuseppe
Aldo
Renata
Eugenio
Antonio
Gabriella
Mario
Vincenzo
Elio
Mario
Paola
Giulio
Emanuele
Mariano
Fausto
Michele
Leonardo
Gianpaolo
Marco
Vittorio
Sergio
Crisostomo
Fiorillo
Abud
Bimonte
Buccella
Cappiello
Clarizia
Coniglio
Cosenza
Cristofano
De Ritis
Della Selva
Di Liberto
Drago
Figari
Giordano
Lizzi
Maiella
Marmo
Giuliana
Mario
Giuseppe
Franco
Luigi
Alberto
Antonio
Guido
Gerardo
Ruggiero
Angelo
Francesco
Antonino
Rodolfo
Maristella
Fedele
Giuseppe
Giuseppe
Strolin
Fisica Teorica
Responsabile: Prof. Francesco Nicodemi
Miele
Musto
Nakagawa
Nicodemi
Peliti
Peruggi
Pettorino
Platania
Rosa
Rubano
Ruggiero
Santorelli
Sciarrino
Scudellaro
Simoni
Zaccaria
Metodologie Fisiche Applicative
Responsabile: Prof. Ennio Bertolucci
Macchiato
Ortosecco
Paternoster
Rinzivillo
Roberti
Russo
Vaccaro
Bertolucci
Carbonara
Cavaliere
Cevenini
Conti
Evangelista
Fedele
Ennio
Francesco
Sergio
Francesco
Maurizio
Gianpaolo
Renato
Abbate
Ambrosone
Andreone
Andretta
Barone
Bernini
Bloisi
Bruzzese
Campana
Caramico
Cataudella
Coscia
De Lisio
Esposito
Responsabile: Prof. Enrico Santamato
Giancarlo
Maddalena
Giuseppina
Marigliano
Antonello
Marrucci
Antonietta
Ninno
Antonio
Peluso
Umberto
Pepe
Francesco
Preziosi
Riccardo
Santamato
Luigi
Sasso
Alvaro
Scotti Di Uccio
Vittorio
Solimeno
Ubaldo
Spinelli
Corrado
Tagliacozzo
Filippo
Tino
-19-
Paolo
Gennaro
Renato
Kimiko
Francesco
Luca
Fulvio
Roberto
Giovanni
Luigi
Claudio
Patrizia
Pietro
Antonino
Paolo
Alberto
Francesco
Maria
Immacolata
Giovanni
Raffaele
Giuseppe
Paolo
Vittorio
Pasquale
Vincenzo
Lorenzo
Domenico
Giuseppe
Giovanni
Bruno
Enrico
Antonio
Umberto
Salvatore
Nicola
Arturo
Guglielmo
Esposito
Iadonisi
Indovina
Lanotte
Luponio
Ugo
Giuseppe
Pietro
Luciano
Carlo
Vaglio
Velotta
Ventriglia
Vicari
Zucchelli
-20-
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
Michelangelo
Mario
Salvatore
Donatella
Gianpaolo
Luigi
Giancarlo
Riccardo
Luciano
Giuseppe
Antonio
Giampiero
Francesca
Gargano
Gatto
Lista
Mangano
Masullo
Mele
Migliozzi
Osteria
Pezzella
Piccolo
Pierroutsakou
Romoli
Stornaiolo
Angela
Corrado
Luca
Gianpiero
Maria Rosaria
Salvatore
Pasquale
Giuseppe
Francesco
Davide
Dimitra
Mauro
Cosimo
Garufi
Guida
Lo Re
Manto
Martusciello
Masone
Mastroserio
Ordine
Pagano
Parascandolo
Parascandolo
Passeggio
Passeggio
Pontoriere
Rocco
Russo
Sekhniaidze
Tortone
Vanzanella
Fabio (Temp.)
Paolino
Paolo
Guido
Maria Pia
Vincenzo
Paolo
Antonio
Francesco
Luigi
Pasquale
Antonio
Giuseppe
Giuseppe
Raffaele
Mirella
Givi
Gennaro
Emanuele
Ruosi
Paparo
Adele (Temp.)
Domenico
Personale tecnico-amministrativo INFN
Anastasio
Arienzo
Boiano
Borriello
Chiazzo
Candiglioti
Cassese
Cocco
Cozzolino
Crupano
D'Amico
D'Aquino
De Ioia
Di Fusco
Di Meo
Di Pietro
Doria
Esposito
Ferrara
Antonio
Maria
Alfonso
Mario
Luigi
Fausta
Francesco
Alfredo
Sabato
Sebastiano
Massimo
Bruno
Michele
Fatima
Paolo
Mario
Alessandra (Temp
Rosario (Temp.)
Laura
Ricercatori INFM
Iavarone
Miletto
Maria (Temp.)
Fabio
-21-
Personale Tecnico-Amministrativo INFM
De Martino
Greca
Loffredo
Vincenzo (Temp.)
Giancarlo (Temp.)
Antonia (Temp.)
Osteria
Taurino
Tammaro
Maria Paola
Francesco (Tem)
Gennaro
Paolo
Antonio
Emmanuel
Marie-Lise
Mariateresa
Pietro
Nicola
Luca
Giovanni
Francesco
Raffaele D.
Salvatore
Fierro
Herman
Hustedt
Iorio
La Torre
Lucherini
Maiorino
Peluso
Pistillo
Testa
Vitiello
Annalisa
David
Bernhard
Elena
Diana
Carlo
Mario
Rosario
Ciro
Italo
Rosario
Giovanni
Mariano
Francesco
Antonio
Francesca
Lorenzo
Gabriella
Giuseppe
Gianfranco
Amleto
Benedetta
Domenico
De Filippis
D’Emilio
Falco
Giordano
Iannotti
Mettivier
Romano
Salluzzo
Sanchez
Urso
Villani
Wang
Giulio
Mariagrazia
Maria Daniela
Sabrina
Vincenzo
Giovanni
Rocco
Marco
Anastasio
Gaetano
Fulvia
Xuan
Nicola
Domenico
Marianna
Takayuki
Listone
Lissitski
Mordente
Perez De Lara
Roberto
Mikhail
Robertino
David
Borsisti DSF
Aniello
Avallone
Auger
Bernard
Bonagura
Castellone
D’Ambrosio
D’Auria
De Lellis
De Marco
Esposito
Esposito
Borsisti INFM
Ausanio
Bombace
Buonocore
Cassinese
Castaldo
Castaldi
Cerrone
Ciobbo
Claudio
D’Agostino
De Felice
De Feo
Borsisti INFN
Bruski
Della Volpe
Di Meo
Kawamura
Assegni di Ricerca DSF
-22-
Boselli
Brunetti
De Candia
Gialanella
Improta
Itaco
Antonella
Romeo
Antonio
Lucio
Luigi
Nunzio
Liuzzi
Lombardi
Messina
Porzio
Ricciardi
Saracino
Raffaele
Filomena
Marcello
Alberto
Giulia
Giulio
Pesce
Visco
Giuseppe
Stefania
Assegni di Ricerca INFM
Rucco
La Ferrara
Nicodemi
Pasqualina
Vera
Mario
Ospiti stranieri
Anderson D.
Berry Michael
Bessonov Eugueni
Bytchkov V.
De Mille David
Dowker Fay
French Steven R.D.
Grabowski Janusz
Greenberg O. W.
Hilborn Robert C.
Jaganathan R.
Kamieniarz Gregorz
Karnaoukhov Alexei
Kramer Bernhard
Kuo Thomas T.S.
Man’ko M.A.
Man’ko Vladimir
Mukhornorov V.
Nunez Carmen A.
Penn Matthew J.
Petr Alexa
Poirer Jean-Paul
Shukla P.K.
Solomon Allan J.
Souchkov Alexandre
Sudarshan E.C.G.
Surarshan George
Zee Anthony
Zirin Harold
University of Technology, Goteborg (Sweden)
Frimley, Surrey - U.K.
Moscow – Russia
Russian Academy of Sciences, Moscow (Russia)
Lakeland, Florida - USA
Manchester - U. K.
Sussex - U. K.
University of Warsaw (Polonia)
New York USA
Syracuse – USA
Inst. of Math. Scien. Chennai-Madras (India)
Poznan – Polonia
Moscow – Russia
Vechelde – Germany
Setauket, New York – USA
Lebedev Physical Institute – Moscow Russia
Lebedev Physical Institute – Moscow Russia
Agrophysical Inst. ST. Petersburg - Russia
Buenos Aires – Argentina
Granata Hills, CA – USA
Prague – Repubblica Cecha
Paris – France
Bochum (Germany)
Glasgow – U. K.
Inst. for Nuclear Research – Dubna (Russia)
University of Texas – (USA)
Kohayam – India
Santa Barbara, CA – USA
Altalena, CA – USA
-23-
Le Strutture del Dipartimento
La Biblioteca (Coordinatore G. Giberti) del Dipartimento di Scienze Fisiche 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. Il suo 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 (di cui la Biblioteca del Dipartimento fa
parte). Gli abbonamenti in corso alle riviste scientifiche sono 215.
La Biblioteca è dotata di una sala lettura e consultazione online, con 18 posti, e di tavoli di
lettura, interni alle sale in cui sono conservati libri e riviste, per altri 40 posti. La
Biblioteca offre servizi (differenziati) di fotocopiatura a ricercatori e a studenti. Esiste una
Sezione Libri Antichi la cui destinazione è attualmente in discussione nell'ambito
dell'attività museale dell'ateneo fredriciano.
L'Officina Meccanica (Coordinatore M. 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. Le attrezzature ed il personale
afferiscono alla Sezione di Napoli dell'INFN ed operano nell'ambito di una convenzione
fra l'Università di Napoli e l'INFN stesso.
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 del Dipartimento (Coordinatrice E. Schettino) custodisce una collezione di
circa seicento strumenti antichi, datati dal 1645 al 1930, conservata negli armadi
ottocenteschi collocati nell'aula di Rodi.
Il Museo ha tra i suoi fini la diffusione della cultura storico-scientifica mediante la
realizzazione di mostre ed esposizioni, l'offerta di visite guidate a scolaresche ed a gruppi
organizzati, la produzione di prodotti multimediali e l'aggiornamento delle pagine Web.
Esso è luogo di studio e ricerca sulla storia della strumentazione e della fisica a Napoli.
Attualmente il Museo è impegnato nella realizzazione di un server WWW in
collaborazione con il Centro dei Musei di Scienze Naturali, che conterrà vari percorsi
ipertestuali e multimediali attraverso le esposizioni ed i cataloghi scientifici.
Il Servizio di Calcolo (Coordinatore R. Pettorino) si avvale di personale dell'INFN e
INFM e gestisce, sia per quanto riguarda l'hardware che per il software, i sistemi
informatici di uso comune, assicurando il collegamento in rete locale delle macchine di
proprietà dei gruppi di ricerca e quello alle reti nazionali ed internazionali.
-24-
Il Servizio Elettronico e Rivelatori (Coordinatore A. Ereditato) svolge compiti di
progettazione, assistenza tecnica e montaggio per i gruppi di ricerca ed i laboratori
didattici ed assicura la manutenzione per gran parte della strumentazione elettronica in uso
nel Dipartimento. E' dotato di un servizio di CAD elettronico per la progettazione di
circuiti stampati anche complessi e di un piccolo laboratorio fotografico per la produzione
di prototipi.
I Laboratori Didattici del Dipartimento (Coordinatore F. Cevenini) 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;
• Corso di Laboratorio di Fisica del II Corso 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 con 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.
-25-
LABORATORIO DELL’ACCELERATORE
Luigi Campajola
CARATTERISTICHE E UTILIZZAZIONE NEL 2000
L'attività del Laboratorio Acceleratore si è sviluppata nel corso del 2000 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 de 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).
Nell’ambito della spettrometria di massa è proseguita la fase di messa a punto del sistema
ed è iniziato il programma di caratterizzazione per l’inserimento nella lista dei Laboratori
“accreditati”. E’ stata effettuata una serie di misure (circa 30) su campioni “standard”,
“blank” e di età nota per valutare precisione, riproducibilità e stabilità del sistema. Sono
inoltre state effettuate nove misure nell’ambito di programmi di collaborazione con
archeologi ed antracologi.
Nella tabella seguente è riportato in sintesi l'utilizzo dell’acceleratore nell'anno 2000. Il
numero di giorni di lavoro tiene conto del fatto che nei mesi di settembre e ottobre
l’acceleratore è stato tenuto spento per la necessità di sostituire e riparare
contemporaneamente tutte le pompe rotative dell’impianto da vuoto.
Giorni di lavoro:
Giorni di fascio:
Ore di fascio
corrispondenti a circa:
183
98
995
10h/g
Ripartizione del tempo macchina:
Manutenzione
Sviluppo + esperimenti
46% pari a giorni 85
54% pari a giorni 98
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Fasci utilizzati: 1 H, 7 Li, 7 Be, 9 Be, 11 B, 12 C, 13 C, 14 C, 14 N, 16 O.
Nel corso del secondo semestre 2000 è stata data priorità, nella formulazione del
calendario, alle esigenze di sviluppo nell’ambito dell’ottimizzazione del sistema per la
spettrometria di massa. E’ inoltre stato effettuato un intervento straordinario di
manutenzione di tutti i gruppi di pompaggio (circa 2 mesi). Tutte le richieste sperimentali
sono state comunque soddisfatte. Per il 2000 è stata riconfermata l'assegnazione del sig.
M.R. Borriello (INFN) al Laboratorio Acceleratore e nel mese di novembre 2000 è partito
il contratto di collaborazione per l’esecuzione delle misure 14 C (M. Casale).
Per i particolari riguardanti le attività di ricerca si rimanda ai rapporti di attività scientifica
relativi alle sezioni.
POTENZIAMENTO E SVILUPPO DI NUOVE TECNICHE
Attività 2000
Nell'ambito del potenziamento dell'acceleratore e sviluppo di nuove tecniche è iniziata
(novembre 2000) la messa a punto del dispositivo per il ciclaggio rapido dei fasci di
carbonio e per il controllo automatico del "beam pulsing".
E’ proseguito inoltre il lavoro di messa a punto del sistema per il controllo
dell’acceleratore mediante una rete locale di calcolatori.
Nell’ambito dei programmi di ricerca in campo applicativo è iniziata la fase di test per due
nuove attività in collaborazione con alcuni dipartimenti della Facoltà di Ingegneria. In
collaborazione con il DIME (Dipartimento di Ingegneria Meccanica per l’Energetica)
sono stati effettuati due test di impiantazione di 7 Be per la messa a punto di una tecnica che
mira allo sviluppo di una metodologia di misura dell’usura delle superfici di contatto
tramite l’impiantazione di ioni radioattivi. In collaborazione con il DIET (Dipartimento di
Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni) sono stati effettuati diversi test di
impiantazione di protoni in semiconduttori per studiare la variazione del tempo di
commutazione indotta dal danno prodotto da tali ioni.
Programma 2001
Nel corso del 2001 proseguirà la fase di caratterizzazione del sistema di spettrometria di
massa con la realizzazione di alcune misure di intercalibrazione in collaborazione con il
gruppo di ricerca del Laboratorio 14 C dell’Università “La Sapienza” di Roma. Sarà inoltre
completato il sistema per il ciclaggio rapido dei fasci ed inizierà il programma di
“automazione” del ciclo di misure 14 C.
Nell’ambito dei programmi di impiantazione è prevista la continuazione dell’attività con la
realizzazione di una linea di fascio dedicata.
-27-
Libri Scientifici e capitoli di libri pubblicati nell’anno 2000
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P. Gasparini, “La Terra inquieta”, Franco di Mauro editore, Napoli, 2000
G. Marmo, J. Carinena, J. Grabowski, “Lie-Scheffers Systems: a Geometrical
Approach”, Bibliopolis, (Napoli) 2000
A. Marino, S. Capozziello, R. de Ritis, P. Scudellaro, “Lezioni di lensing
gravitazionale”, Bibliopolis, (Napoli) 2000
L. Frappat, A. Sciarrino, P. Sorba, “Dictionary on Lie Algebras and Superalgebras”
Academic Press, (London) 2000
G. Morandi, P. Sodano, A. Tagliacozzo, “Field theories for low dimensional condensed
matter systems”, Springer Verlag, (Berlino) 2000
E. Balzano, G. Giberti, G. Monroy, E. Sassi, “Cinematica” in “ESP B, Progetto
FISISS, Physics Education Research Groups of Milano, Modena, Napoli, Palermo,
Pavia, Torino, Udine”, ipertesto realizzato da M. Michelini, L. Santi, R.M: Sperandeo,
www.uniud.it/www/cird/index.htm
E. Balzano, G. Giberti, G. Monroy, E. Sassi, “Introduzione al concetto di forza” in
“ESP B, Progetto FISSIS, Physics Education Research Groups of Milano, Modena,
Napoli, Palermo, Pavia, Torino, Udine”, ipertesto realizzato da M. Michelini, L. Santi,
R.M: Sperandeo, www.uniud.it/www/cird/index.htm
S. Guccione, - "Can a non computable physical law be able to predict?" in C. Garola
and A. Rossi (eds.); "The foundations of Quantum Mechanics", World Scientific
(2000).
E. Schettino, La Fisica in La Cultura scientifica a Napoli 1860-1915, Paparo editore
Napoli 2000, pp. 200-220.
C. Cosmi, V. Cuomo, M. Macchiato, L. Mangiamele, M. Salvia, “Chapter 5.1:
Basilicata Regional Environmental Plan. In International Energy Agency, Energy
Conservation in Buildings and Community Systems Program” Annex 33 Advanced
Local Energy Planning (ALEP) “A Guidebook”, Edited by Reinhard Jank,
Forschungszentrum J¸lich, BEO (Germany), pp. 74-88, (2000)
C. Cosmi, V. Cuomo, M. Macchiato, I. Mancini, L. Mangiamele, S. Masi, M. Salvia
“Integrated modelling for waste management planning. In "Development and
application of computer techniques to environmental studies”, WIT Press Southampton
(UK) and Boston (USA), Eds. C.A. Brebbia, P. Zannetti and G. Ibarra - Berastegi, 8,
385 - 393, (2000).
C. Cosmi, G. D'Apuzzo, M. Macchiato, L. Mangiamele, M. Salvia “Environmental
impact assessment of mining activities in the productive system of the Basilicata
region”. In “AIR POLLUTION VIII”, Eds. J.W.S. Longhurst, C.A. Brebbia and H.
Power, WIT Press Southampton (UK) and Boston (USA), pp. 221-231, (2000).
R. Caggiano, M. D’Emilio, M. Macchiato, M. Ragosta,. A biomonitoring study for the
evaluation of Hg atmospheric emissions in an industrial area. In "Air Pollution VIII",
Eds. J. W. S. Longhurst, C. A. Brebbia, H. Power. WIT Press CMP Southampton, UK,
pagg.413-420 (2000)
I.G. Avramidi e G. Esposito, "Foundational Problems in Quantum Gravity", in: Recent
Developments in General Relativity, editors A. Masiello et al., (Berlin, SpringerVerlag) 2000, pp. 395--404.
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G. Esposito e C. Stornaiolo, "New Supplementary Conditions for a Non-Linear Field
Theory: General Relativity", in: Nonlinearity, Integrability and All That. Twenty Years
after Needs '79, editors M. Boiti et al., (Singapore, World Scientific) 2000, pp. 453-459
A.Drago:Which kind of mathematics for quantum mechanics? The relevance of H.
Weyl's program of research, in A. Garola, A. Rossi (eds.): Foundations of Quantum
Mechanics. Historical Analysis and Open Questions, World Scientific, Singapore,
2000, 167-193.
S. Capozziello, R. de Ritis, A. Marino, C. Rubano, P. Scudellaro, “A possible way to
define an effective cosmological constant in scalar-tensor cosmologies”, in: Recent
Developments in General Relativity, eds. B. Casciaro, D. Fortunato, M. Francaviglia,
A. Masiello, p. 63, Springer-Verlag, Milano (2000).
A.Drago: Il problema dei tre corpi: sintesi storica e confronto con la matematica
costruttiva, in E. Proverbio e P. Tucci (eds.): Lo sviluppo delle ricerche in Meccanica e
in Astronomia nell'Ottocento e nel Novecento, Istituto di Fisica Generale e Applicata,
Università di Milano, 2000, 170-180.
G.Marmo and A.Simoni, “Bi-Hamiltonian Systems and the Correspondence Principle”
in Quantum Theory And Symmetries (H.D.Doebner et al. editors) World
Scientific,Singapore 2000
A.Drago: Modelli logici, matematici e fisici dei conflitti e delle loro soluzioni, in M.
Zucchetti (ed.): Contro le nuove guerre. Scienziati e scienziate contro la guerra,
Odradek, Roma, 2000, 73-81.
A.Drago: Nuova interpretazione della storia dei fondamenti della matematica nel XX
secolo, in G. Isernia (ed.): Il ruolo della Matematica nella società contemporanea,
Barletta, 2000.
A.Drago: Undici maniere di presentare la difesa popolare nonviolenta, in C. Tugnoli
(ed.): Tra il dire e il fare. L’educazione alla prassi dei diritti umani. Annali 1999,
Franco Angeli, Milano, 2000, 171-191.
A.Drago: Etica e scienza: una fondazione comune, secondo una visione pluralista, in L.
Chieffi (ed.): Bioetica e diritti dell'uomo, Paravia Scriptorium, Torino, 2000, 303-331.
A.Pellegrino: Nuova interpretazione dell'origine della geometria non euclidea in
Lobacevskij, in L. Chieffi (ed.): Bioetica e diritti dell'uomo, Paravia Scriptorium,
Torino, 2000
S. Solimeno, Quantum treatment of suspended PPFP cavities in presence of mirror
thermal noise, in “Gravitational Waves and Experimental Gravity”, Tran Thanh, Van,
J. Dumarchez, S. Reynaud, C. Salomon, J. Y. Vinet eds., World Publishers (2000)
L.Cacciapuoti, G. Cennini, M. de Angelis, P. Maddaloni, M. prevedelli, L. Ricci, and
G.M. Tino, A blue-detuned optical trap for cold atoms, in “Squeezed States and
Uncertainty Relations”, D. Han, Y.S. Kim, S. Solimeno eds., NASA/CP-2000-209899
(2000).
G.M. Tino, Testing the symmetrization postulate and the spin-statistics connection for
nuclei by molecular spectroscopy, in “Spin-Statistics Connection and Commutation
Relations: Experimental Tests and Theoretical Implications”, R.C. Hilborn and G.M.
Tino eds., American Institute of Physics, p. 260 (2000).
A.Barone. Weakly coupled macroscopic quantum systems: likeness with difference,
Chapter 20, pp. 301-320, Kluwer Academy Publ. (2000)
-29-
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.
XIII Ciclo - Coordinatore R. Musto
Collegio dei docenti: E. Bertolucci, A. Covello, B. D’Ettorre, V. Marigliano, G. Marmo,
L. Peliti, R. Pettorino, R. Vaglio
AMMENDOLA Giuseppe
CARILLO Franco
DE LELLIS Giovanni
DE NARDO Guglielmo
IMBRIANI Gianluca
LETTIERI Stefano
PICA Giulia
PIERSANTI Luciano
PIROZZI Giuseppe
TRAMONTANO Francesco
WANG XUAN Henan
Basse Temperature
Basse Temperature
Fisica Superiore
Alte Energie
Astrofisica
Ottica dei Materiali
Basse Temperature
Fenomenologia delle Particelle
Esperimento KLOE
Fenomenologia delle Particelle
Ottica
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
Francesco
Giovanni
Giovanni
Francesco
ISGRO’
LANCELLOTTI
NADDEO
NAPOLITANO
-30-
Giuseppe
Laura
Adele
Nicola R.
DEL GADO
DI DONATO
DI MICHELE
ESPOSITO
FABOZZI
Emanuela
Camilla
Cristiano
Rosario
Francesco
ONORATO
PICCIRILLO
PIEDIPALUMBO
RICCI
SABELLA
Pasquale
Bruno
Ester
Fabrizio
Gianluca
XV Ciclo - Coordinatore A. Sciarrino
Collegio dei docenti: B. Bartoli; R. de Ritis; 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
Cristiano
Francesco
Carmine Antonio
Tommaso
Giulia
Luigi
Mauro
Angela
CONVEGNI ORGANIZZATI DA DOCENTI DEL DIPARTIMENTO
NEL CORSO DEL 2000
General Relativity, Cosmology and Gravitational Lensing (In memory of R. de Ritis)
Hass “E.R. Caianiello”
Vietri sul Mare (SA) 01-02 dicembre 2000
Organizzatori: M. Capaccioli; S. Capozziello; G. Marmo; B. Preziosi; C. Rubano; G.
Scarpetta; P. Scudellaro; G. Vilasi
“Helium Line Formation in a Dynamical Solar Atmosphere”
Osservatorio Atsronomico di Capodimonte,
Napoli, 5-7 Aprile, 2000
Organizzatore: L. Smaldone
“Sixth Symposium on High Temperature Superconductors (HTS-HF 2000)”
Capri 24-27 maggio 2000
Organizzatori: Ruggero Vaglio; Antonello Andreone
Physics and Applications of High-Tc Josephson Devices, Workshop in memory of Sandro
Di Chiara
Napoli, 29-31 maggio 2000
Organizzatori. Francesco Tafuri, Antonio Barone
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Cortona 2000 - Congresso informale di Fisica
Cortona 31 maggio 05 giugno 2000
Organizzatori: Francesco Nicodemi; Roberto Pettorino
International Conference on Spin-Statistics Connection and Commutation Relations:
Experimental Tests and Theoretical Implications, Centro Internazionale per la Cultura
Scientifica dell’Università di Napoli
Anacapri 31 Maggio – 03 giugno 2000
Organizzatore: Guglielmo Tino
First Conference Italian Society of the Historians of Physics and Astronomy
Napoli, giugno 2000
Organizzatore: E. Schettino
Final Meeting of the European BRITE Network LC Photonet,
Amalfi 11-14 ottobre 2000
Organizzatore: Giancarlo Abbate
The 18th Advanced ICFA Beam Dynamics Workshop on Quantum Aspects of Beam
Physics
15-20 ottobre 2000
Organizzatori: Vittorio Vaccaro; Renato Fedele
ELENCO DEI SEMINARI TENUTI PRESSO IL DIPARTIMENTO
NEL CORSO DEL 2000
1. Alessandra Rocco, Max Planck Institut Fuer Quanten Optik, Aussenstelle
(Hannover), Dispersione negativa senza assorbimento
13 Gennaio 2000
2. Dr. Domenico Giuliano, Universita' di Stanford,
Deconfinamento degli spinoni in due dimensioni
17 Gennaio 2000
3. Luigi Masperi, Centro Latino Americano di Fisica, Rio de Janheiro
Raggi cosmici di altissima energia e modelli di grande unificazione
27 gennaio 2000
4. Arianna Montorsi, Politecnico di Torino
Simmetrie e integrabilita' di sistemi fermionici unidimensionali
28 gennaio 2000
5. Il Prof. Ugo Valbusa, dell'Universita' di Genova,
La sabbiatura atomica: un nuovo processo per creare strutture a livello nanometrico
8 Febbraio 2000
6. Dott.Luca Carpi De Rismini, Electronic products manager della Swets subscription
Service “Seminario di introduzione ai servizi di gestione degli abbonamenti
23 febbraio 2000
7. Marco Fiorentino NSF fellow c/o Northwestern University di Evanston, Illinois,
(USA) Doppio amplificatore parametrico basato su niobato di litio "periodically
poled: una nuova sorgente di radiazione nonclassica”.
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9 Marzo 2000
8. Prof. Eduardo de Rafael (CPT CNRS Marsiglia)
A new approach to weak matrix elements in large-nc qcd
13 marzo 2000
9. Prof. Alberto LERDA, Università del Piemonte Orientale,
d-brane stabili non-bps e loro interazioni
15 marzo 2000
10. Paola Rizzo, CNR Roma
Realizzazione di agenti interattivi mediante tecniche d'intelligenza artificiale
15 marzo 2000
11. Alexander Studenikin, Department of Theoretical Physics Moscow State University
Neutrino oscillations in an arbitrary electromagnetic field
16 marzo 2000
12. Amedeo Cappelli, Istituto di linguistica computazionale CNR (Pisa)
Accesso multilinguistico al contenuto dell’informazione
21 marzo 2000
13. Nadja de Carolis
Metodi Formali per l' Interazione Uomo Macchina
22 marzo 2000
14. Rodolfo Russo, University Neuchatel, Svizzera
Sull’azione effettiva di brane stabili non bps
23 marzo 2000
15. Prof. Franco Beccella
So(10) e oscillazioni dei neutrini
24 marzo 2000
16. Giuseppe Pollifrone (Queen Mary and Westfield College, Londra)
Preheating as a cosmic magnetic dynamo
30 marzo 2000
17. M. Sassetti, Università di Genova
Luttinger liquid behaviour in quantum wires
04 aprile 2000
18. Dr Valer Tosa, Institute of Isotopic and Molecular Technology, Cluj-Napoca,
Romania
Computer simulation of impurity diffusion in multilayer polymeric structures
14 aprile 2000
19. Prof. Roberto Scandone, Dipartimento di Fisica (Università Roma 3)
Dinamica delle eruzioni esplosive e implicazioni per la loro previsione
14 aprile 2000
20. Prof. Franco BEVILACQUA, Politecnico di Milano
Definizione e analisi di missioni spaziali
17/18/19 aprile 2000
21. Dr. Angelantonj Carlo, Ecole Normale Supérieure (Parigi)
Tadpolo dilatonico e dinamica delle teorie di gauge
28 aprile 2000
22. Dr.ssa Nunnez Carmen, Istituto de Astronomia y Fisica Del Espacio (Buenos
Aires) String theory in ads3
02 maggio 2000
23. Dott.ssa Maria Luisa Chiofalo, (Scuola Normale Superiore, Pisa)
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Alcuni aspetti della dinamica di condensati di bose-einstein confinati: metodologia,
teoria e simulazione del trasporto
04 maggio2000
24. Prof. Giuseppe Marmo, DSF Napoli
Stati coerenti e trasformazioni non lineari in meccanica quantistica
05 maggio 2000
25. Ing. Piero Cosi, Ist. Di Fonetica e Dialettologia (CNR PADOVA)
Ogi-tool kit: facce parlanti e interfacce vocali
09 maggio 2000
26. Prof. Calogero Natoli, Lab. Naz. INFN Frascati
orbital ordering and metal insulator transition in v203
09 maggio 2000
27. Dott. Carlo Tesauro,
mutamenti prodotti dalla comunicazione via internet: sue potenzialita’ e uso. un
esempio: le banche
10 maggio 2000
28. Prof. Rosario Mantenga, Università di Palermo
“correlazioni e strutture gerarchiche all’interno di un mercato finanziario”
10 maggio 2000
29. Dott. Gennaro Miele, DSF Napoli
la nucleosintesi primordiale e la fisica delle interazioni fondamentali
12 maggio 2000
30. Dr. G. Falci, Università di Catania
Correlazioni di pairing in dot quantistici metallici
16 maggio 2000
31. Prof. John D’Auria, Simon Frasaer University e Triunf Vancouver (Canada)
Nuclear astrophysics with a dragon at isac
17 maggio 2000
32. Dr. Vladimir Bychkov, Inst. for High Temperature, Russian Acc. Sci. (Mosca)
general aspects of atmospheric electricity
18 maggio 2000
33. Dr. Vladimir Bychkov, Inst. for High Temperature, Russian Acc. Sci. (Mosca)
physical nature of ball lightning
19 maggio 200
34. Dott. V. Marotta, gruppo IV INFN
descrizione di plateau convenzionali e non di un fluido di hall con le teorie
conformi in due dimensioni
19 maggio 2000
35. Prof. Volodya Man’ko (Lebedev Physics Institute, Mosca, RUSSIA)
Violation of the adiabatic theorem and time-dependent integrals of motion
22 maggio 2000
36. Prof. Volodya Man’ko (Lebedev Physics Institute, Mosca, RUSSIA)
Canonical transformations, reference frames in phase space and tomographic
representation of classical and quantum mechanics
23 maggio 2000
37. Dott. Onofrio Maragò, Claredon Laboratory – Oxford
Superfluidita’ e fenomeni nonlineari nella dinamica collettiva di un condensato di
bose-einstein.
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25 maggio 2000
38. Dott. Nikolay Minkov, IRNE
Symmetries and staggering effects in nuclear rotational spectra
26 maggio 2000
39. Dott. Giancarlo D'Ambrosio, gruppo IV INFN
Violazione di cp e il paradigma ckm
26 maggio 2000
40. Luca Vitagliano
Moto di un corpo esteso in campi elettromagnetici e gravitazionali
26 maggio 2000
41. Dott.ssa Donatella Ciampini, Università di Pisa
Condensazione di bose-einstein di ^87rb in una trappola top
26 maggio 2000
42. Dr.ssa. Nadja Berardina De Carolis, dell'Università di Bari
Web paging: introduzione al problema e alle tecnologie
29 maggio 2000
43. Prof. Bernhard Kramer, Università di Amburgo
Energy level statistics at the anderson transition
30 maggio 2000
44. Prof. Bernhard Kramer, Università di Amburgo
Phase coherent electron transport in nanostructures
01 giugno 2000
45. Prof. Paolo Scandone, Dip. di Geologia Università di Pisa
Struttura e sismotettonica dell’appennino centro-meridionale
02 giugno 2000
46. Prof. Vitiello Giuseppe, dell'Università di Salerno
Oscillazioni dei neutrini in teoria dei campi
09 giugno 2000
47. Prof. De Martino Salvatore, dell'Università di Salerno
Un modello geometrico per le scale osservate di sistemi astrofisici
cosmologici
30 giugno 2000
48. Lucian Stroe, Istituto Fisica ed Ingegneria Nucleare "Horia Hulubei"
First observation of proton emission from 117la
06 giugno 2000
49. Dr.ssa Simone Kulin, National Inst. of Standards and Technology (NIST)
(Gaithersburg)
Studying biological adhesion using optical tweezers
12 giugno 2000
50. Dr. Gianpaolo Evangelista, DSF Napoli
Rappresentazioni wavelet flessibili di segnali audio
08 giugno 2000
51. Dr. Giampiero Esposito, DSF Napoli
Energie di punto zero: nuove misure, nuovi problemi e questioni collegate
09 giugno 2000
52. Prof. D. Espriu, Universita' di Barcellona
Chiral lagrangians and the qcd string
16 giugno 2000
-35-
e
53. Prof. Francesco Sciortino, Università di Roma “La Sapienza”
Termodinamica e aging in liquidi sottoraffreddati
20 giugno 2000
54. Prof. Rodolfo Figari, DSF Napoli
Interazioni puntuali: aspetti fondamentali e applicativi
23 giugno 2000
55. Prof. Sergio Restaino, New Mexico University
Tecniche di ottica adattiva
27 giugno 2000
56. Prof. Renato Musto, DSF Napoli
Particelle, stringhe, brane ...
30 giugno 2000
57. Dr. Cristiano Biagini, Università di Firenze
Fermi liquid in 2 and 3 – dimensions
23 giugno 2000
Luttinger liquid
26 giugno 2000
Adiabatic crossover from 3 d to 1 d in high magnetic field
28 giugno 2000
60. Dr. Luigi Coraggio, DSF Napoli
Interazioni efficaci realistiche nello studio della struttura nucleare
07 luglio 2000
61. Prof. Boris Ivlev, Universidad Autonoma de San Luis de Potosi (Mexico)
“Effect of laser radiation on superconductivity”
13 luglio 2000
62. Prof. Boris Ivlev, Universidad Autonoma de San Luis de Potosi (Mexico)
“Control of tunneling by adapted signals”
17 luglio 2000
63. Ing Marco Roveri, Dip di Informatica Università di Milano
“Planning via model-checking”
21 luglio 2000
64. A.V. Karnaukhov, Inst. of Cell Biophysics of Russian Academia of Science
(Puschino)
The "green-house catastrophe". scenario evaluation. (the
scientific viewpoint on a problem "end of world"
12 settembre 2000
65. K. Okada, dell'Università di Nagoya
The discovery of the τ neutrino with the DONUT experiment
18 settembre 2000
66. T.T. S. Kuo, Stoney Brook (U.S.A)
Realistic low-momentum nucleon-nucleon interactions
20 settembre 2000
67. Victor V. Moshchalkov, Katholieke Universiteit di Leuven (Belgio)
Vortex Matter In Nanostructured Superconductors
22 settembre 2000
68. Marco Grilli, "La Sapienza" di Roma
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Modello di Hubbard
21 settembre 2000
69. Vladimiro Sassone, Università di Catania
Refined computational model for information flow security based on coloured set
29 settembre 2000
70. A.Abrikosov, University of Moscow
The current state of the hts studies
2 ottobre 2000,
71. V. S. Varadarajan, University of California, Los Angeles
Physics and Number Theory
11-13-17-18 ottobre 2000
72. Sara Gasparoni, Institut fuer Experimentalphysik Universitaet Wien
Una panoramica sulle correlazioni fotoniche entanglement swapping e GHZ a 4 fotoni
03 Ottobre 2000
73. J.P.Poirier, Institute de Physique du Globe (Parigi)
la struttura dell'interno della terra: l'interazione mantello-nucleo
11 ottobre 2000
74. Martin Schweiger, Univ. College, London
Diffuse light trasport modelling and image reconstruction in optical tomography
using toast
19 ottobre 2000
75. Dino Leporini, Università di Pisa
Studi di dinamica molecolare in liquidi bioatomici sottoraffreddati: fenomeni di
intermittenza, transizioni stick-slip e disaccoppiamento dal rilassamento strutturale
10 ottobre 2000
76. Ramaswamy Jaganathan, Institute of Mathematical Sciences di Madras (India)
Quantum Theory of Beam Optics
13 ottobre 2000
77. Marco La Commara, del DSF – Napoli
Cluster decay: is it an effective path to produce very neutron-deficient
isotopes near 100Sn?
17 ottobre 2000
78. Alberto Di Fazio, Osservatorio Astronomico di Roma
Che sarà domani? Le crisi ambientali globali
10-17-20- ottobre 2000
79. Jellal Ahmed, ICTP Trieste
Applicazione della Teoria di Campo in 2 dimensioni alla Materia Condensata
19 ottobre 2000
80. H.J. Krause, Forschungszentrum Julich, Germany
Nondestructive Evaluation of Aircraft and Bridges using HTS SQUIDs
19 ottobre 2000
81. G. Cassinelli, Università di Genova
Teoria dei gruppi e Tomografia Quantistica
20 ottobre 2000
82. Rajiah Simon, Inst. of Mathem. Sciences - Tharamani - Chennai (Madras, India)
Positive Maps and Quantum Entanglement
27 ottobre 2000
83. Gianpiero Mangano, DSF Napoli
-37-
La radiazione di fondo di fotoni e di neutrini
27 ottobre 2000
84. Giulia Ricciardi, DSF Napoli
Funzione di shape nei decadimenti dei mesoni B
06 novembre 2000
85. P. Winternitz, CRM, Montreal
Superintegrability, superseparability and exact solvability in quantum mechanics
10 novembre 2000
86. Luca Sfarzo e Vincenzo Cuomo, Napoli
R&D: Esperienza Universitaria e Realtà Aziendale
15 novembre 2000
87. Giuseppe Gaeta, Università di Roma
Generalizzazione quaternionica della dinamica Hamiltoniana
15 novembre 2000
88. Alexander Dorokhov, JINR (Dubna - Russia)
Nonlocal structure of QCD vacuum within instanton model
16 novembre 2000
89. Antonio De Candia, I N F N – Napoli
Correlazione e risposta in un modello di liquido
17 novembre 2000
90. Luigi Coraggio, DSF Napoli
Calcoli realistici di modello a shell nucleare
21 novembre 2000
91. Antonio Masiero, SISSA Trieste
Violazione di CP e supersimmetria: preoccupazioni e speranze
24 novembre 2000
92. Janusz Grabowski, University of Warsaw – Polonia
Deformation Quantization I, II, III
27-28 novembre 2000
93. Tatiana Mikhailova, JINR Dubna – Russia
Elasto-plastic Model of Nuclear Fusion
28 novembre 2000
94. Guido Caldarelli, Universita di Roma La Sapienza
Le proprieta' frattali di Internet
30 novembre 2000
95. Roberto Prevete, IRST (Istituto per la Ricerca Scientifica del Trentino)
Questions answering & internet
11 dicembre 2000
96. Volodya Man’ko, Lebedev Physical Institute, Moscow
Tomography and deformed star-products
11-12 dicembre 2000
97. Margarita A. Man’ko, P.N. Lebedev Physical Institute,
Noncommutative tomography of analytic signal and entanglement in the
probability representation of quantum mechanics
11 Dicembre 2000
98. Marina Huerta, Theoretical physics Dept. – Oxford University
Thermal Transport in the Hierarchical Quantum Hall States
12 dicembre 2000
-38-
99. Gaetano De Pasquale, Dip. Ar.bo.pa.Ve Facoltà di Agraria, Univ. Federico II
Ricostruzione dei paesaggi vegetali del passato su base antracologica
12 dicembre 2000
100. Paolo Dell’Aversana, Compagnia petrolifera Enterprise Oil Italiana
La geofisica applicata all’esplorazione petrolifera: elementi introduttivi
13 dicembre 2000
Acquisizione, trattamento ed interpretazione di dati di sismica a rflessione per la
ricerca di idrocarburi
14 dicembre 2000
Metodologie di geofisica integrata per l’esplorazione petrolifera
15 dicembre 2000
103. Luigi Coraggio, INFN Napoli
"Un nuovo approccio alla rinormalizzazione del potenziale nucleone-nucleone"
15 dicembre 2000
104. Padma Kant Shukla, Institut für Theoret. Phys. IV - Universität Bochum, Germany
Complex plasmas in the universe
18 Dicembre 2000
105. Mario Mango Furnari, CNR – Arco Felice (NA)
Un ambiente integrato di sviluppo per il Calcolo Parallelo
21 dicembre 2000
106. Mikhail A. Ivanov, University of Dubna – Russia
The Semileptonic Decays of Bc Meson
13 dicembre 2000
107. Sergio di Matteo (ERSF Grenoble)
Scattering Risonante e ordine orbitale in prossimità della transizione Metallo Isolante in V2 O3 "
19 dicembre 2000
108. Paolo Di Vecchia, della Nordita, - Copenhagen, Denmark
Teorie di gauge delle interazioni fondamentali
20 - 22 dicembre 2000
-39-
-40-
ASTROFISICA
E
FISICA DEI PLASMI
(Responsabile di Sezione: Prof. M.Capaccioli)
-41-
-42-
-43-
FISICA SOLARE
C. Marmolino, L.A. Smaldone
Attività 2000
Molta parte dell'attività si svolge in collaborazione con ricercatori dell'Osservatorio
Astronomico di Capodimonte (OAC).
Eliosismologia: Il nostro lavoro si è concentrato sulle relazioni di fase tra due o più
parametri fluidodinamici quali velocità (V) e intensità nella riga e nel continuo (I), che
caratterizzano le oscillazioni solari. In particolare abbiamo calcolato le differenze di fase
tra intensità e velocità nei modi p misurati dai vari strumenti eliosismologici a bordo del
SOHO. Tra gli altri vantaggi di osservare le oscillazioni solari simultaneamente con
diversi strumenti e tecniche, lo studio delle misure di velocità e luminosità fornisce
informazioni sugli effetti di non adiabaticità nella atmosfera solare. Dopo aver corretto le
differenze di fase osservate per gli effetti del background solare, abbiamo trovato un
comportamento non esattamente "adiabatico".
Confrontando i risultati delle osservazioni con tre diversi modelli teorici della atmosfera
solare, abbiamo trovato l'accordo migliore con un modello che tiene conto degli effetti di
una pressione turbolenta legata alla convezione e alle fluttuazioni del gradiente di
temperatura superadiabatico.
Regioni attive solari: L'attività solare è associata alla comparsa di campi magnetici alla
superficie del Sole, alla loro evoluzione temporale e spaziale alle interazioni con i moti del
plasma, fondamentalmente connessi alla convezione. Le manifestazioni fotosferiche e
cromosferiche hanno una importanza rilevantissima per una profonda comprensione
dell'attività solare. In questi strati avviene con più efficacia l'interazione tra campi
magnetici e campi di velocità, dando luogo a topologie che qui possono essere studiate con
molto maggior dettaglio che negli strati più alti. E` stato dimostrato, inoltre, che i flare
solari lasciano, a livello cromosferico e fotosferico, delle segnature le cui interpretazioni
giocano un ruolo cruciale nell'identificare i processi fisici fondamentali che danno luogo a
quel complesso fenomeno che sono i flare solari. In questo contesto sono essenziali metodi
per vera spettroscopia bidimensionale, cioè con tutti gli elementi spettrali simultanei, per
la determinazione delle distribuzioni spaziali del campo magnetico e di velocità. Occorre
anche fare attenzione ai metodi di determinazione dei campi perché le approssimazioni
comunemente accettate (tipo dopplergrammi o magnetogrammi) conducono, in alcuni casi,
a risultati completamente fuorvianti. In questo tipo di applicazioni è importante la
risoluzione spaziale che deve essere, almeno, di 1 arcsec per un efficiente impatto nella
nostra conoscenza sulle condizioni fisiche in flare.
In questo campo abbiamo sviluppato un sistema per ottenere spettri bidimensionali basato
su array di microlenti, in collaborazione col dr. Y. Suematsu del National Astronomical
Observatory (Giappone) ed dr. K.S. Balasubramaniam del National Solar Observatory
(USA). Sono stati effettuati alcun test positivi al R.D. Dunn Vacuum Tower Telescope.
L’array di microlenti utilizzato è costituito da 50x50 lentine, da 600 micron di diametro
ognuna, posto all'ingresso di uno spettrografo orizzontale privato della fenditura. In queste
prime prove, il campo utile stato di 14”x14” con un pixelsize di 0.12” ed un intervallo
spettrale di 12 Angs. I test sono stati effettuati sia in Halfa che con misure di
polarizzazione circolare nelle righe del FeI a 6303 Angs. I risultati sono stati molto
incoraggianti.
-44-
Nell'ottica di ricerca di nuovi strumenti diagnostici per il monitoraggio dell'attività solare,
abbiamo realizzato degli spettroeliogrammi in una riga spettrale del SiI (multipletto #3) a
3905.5 Angs. Questa riga è una delle righe più veloci a mostrare il cuore in riemissione
nelle prime fasi di un flare. Il questa riga, il pattern generale di regioni attive solari
rassomiglia molto a quello osservato nelle immagine nella K del CaII. Le immagini nel SiI
presentano, rispetto alle immagini nella K, una struttura molto più fine e dettagliata tanto
da far credere che le immagini in K, sebbene acquisite simultaneamente alle immagini nel
SiI e con lo stesso strumento, siano state acquisite con un seeing tre, quattro volte
peggiore. Con sorpresa abbiamo notato che alcune righe spettrali limitrofe, che non
presentano particolare attività in flare, mostrano meno marcato un pattern simile al SiI.
Programma 2001
Eliosismologia: I nostri specifici obiettivi eliosismologici saranno:
Differenze di fase I-V per i modi di grado intermedio e alto. Questi modi hanno grande
interesse per le informazioni che forniscono gli strati più esterni, cioè le regioni di
ionizzazione dell'idrogeno e dell'elio. Rappresentano pertanto un test molto sensibile
dell'equazione di stato. Varie predizioni teoriche sulle differenze di fase temperatura (T) velocità (V) per fenomeni ondulatori nella atmosfera solare sono già state sviluppate
(Marmolino and Severino 1991, Astron. Astrophys. 242, 271; Marmolino et al. 1993,
Astron. Astrophys., 278, 617; Wang et al. 1995, Ap.J. 444, 879). Estenderemo tali
predizioni teoriche per tenere conto degli effetti della ionizzazione.
L'uso del codice ANSYS in eliosismologia. Intendiamo valutare la possibilità di usare
“ANSYS”, un codice agli elementi finiti, molto noto in ingegneria e geofisica (Moaveni S.
1999, "Finite Element Analysis Theory and Application with Ansys"), per affrontare
problemi relativi sia alla struttura che alle oscillazioni solari.
Regioni attive solari: Per quanto riguarda le osservazioni e l'analisi della attività solare
sono previsti:
Completamento di un set-up agile per la spettroscopia bidimensionale basato su array di
microlenti, in collaborazione con colleghi del NSO e del giapponese NAO, presso il R.D.
Dunn Vacuum Tower Telescope e suo uso estensivo per osservazioni di flare solari. In
particolare, si cercherà di mettere a punto, in ambiente IDL, un software di facile uso.
Osservazioni di regioni attive nella riga del SiI a 3905.5 Angs. per caratterizzarne le
proprietà diagnostiche. Per quello che riguarda l'interpretazione, si studierà in dettaglio la
formazione di tale riga in condizioni di Non Equilibrio Termodinamico Locale col codice
MULTI sviluppato da Mat Carlsson. Questa fase fornirà una prima risposta al problema
della presenza, anche se molto meno accentuato, dello stesso pattern in alcune righe della
stessa regione spettrale (la presenza di un contributo continuo finora trascurato nella
formazione dello spettro in bassa cromosfera solare ?).
2000 Activity Report
Helioseismology: Our work focused on the phase relations between two or
fluidodynamical parameters such as velocity (V) and line or continuum intensity (I), which
characterize the solar oscillations. Particularly we computed the phase differences and
gains between intensity and velocity acoustic modes measured by helioseismic instruments
aboard SOHO. Among the other advantages of observing solar oscillations simultaneously
with different instruments and techniques, the study of velocity and irradiance
-45-
measurements provides information on non-adiabatic effects in the radiatively cooled solar
atmosphere. After correcting the observed phase differences of the solar background
influence, we found not exactly an adiabatic behaviour, but close to it. Finally, we
compared our results with three different theoretical models of the solar atmosphere,
finding the best agreement with a model that includes turbulent pressure associated with
convection and fluctuations of the superadiabatic temperature gradient.
Solar Active Regions: The solar activity is associated with appearance, temporal evolution
and spatial modifications of the magnetic field at solar surface and its interactions with
plasma flows, fundamentally related to the convection. The photospheric and
chromospheric manifestations have a fundamental importance for an effective
improvement of our understanding of the solar activity. It is in these lower layers that the
interaction between velocity fields and magnetic fields occur most effectively, giving rise
to a topology we can analyze with greater details than in any higher layer. Moreover, it has
been recognized that the solar flares occurrence leaves relevant signatures at photospheric
and chromospheric levels, whose interpretation may play a crucial role in identifying the
fundamental physical processes which give rise to the complex flare phenomenon. In this
context are essential methods for real Two Dimension spectroscopy, with all the spectral
elements simultaneously, for the determination of the spatial distribution of the velocity
field and the magnetic field. Particular attention has to be made to the fields determination
since some commonly accepted approximations (e.g., the dopplergram or the
magnetogram) are very crude and, in some cases, misleading. The spatial resolution has to
be of the order of 1 arcsec, at least, for an efficient improvement of our knowledge of the
flare physical conditions.
We developed a micro-lens array systems to obtain simultaneous 2-D spectra in
collaboration with dr. Y. Suematsu of the National Astronomical Observatory (Japan) and
dr. K.S. Balasubramaniam of the National Solar Observatory (USA). We did some
positive test at the R.D. Dunn Vacuum Tower Telescope. The micro-lens array we used is
a 50x50 array of 600 micron diameter lenslets placed ahead of the slitless horizontal
spectrograph. In this first attempt the useful FOV was 14”x14” with a pixel size of 0.12”
and a spectral range of 12 Angs. We performed observations in Halpha and also circular
polarization in the FeI lines at 6303 Angs. The results are encouraging.
In the framework of developing new diagnostic tools for monitoring the solar activity, we
performed spectroheliograms in the spectral line of SiI (multiplet #3) at 3905.5 Angs. This
line is one of the most prompt lines to show an emission core in the early phase of the
solar flares. The general pattern we observed in active solar regions is similar to the
pattern observed in classical CaII K images, but the SiI images show much more fine
structures that the CaII ones. The CaII images, acquired simultaneously and with the same
instrument that the SiI, look like acquired with a seeing three-four times worst. Surprising
it is possible to see, less evident, the SiI pattern also in some near by spectral lines, not
particularly active in solar flares.
2001 Program
Helioseismology: Our specific helioseismic objectives will be:
I-V phase differences for intermediate and high degree modes. These modes have great
interest in providing information about the outer few per cent of the solar radius. This is
the region of ionization of hydrogen and helium, and hence provides the most sensitive
test of the equation of state. Theoretical predictions for temperature (T) - velocity (V)
-46-
phase difference have been already developed for wave phenomena in the solar
atmosphere (Marmolino and Severino 1991, Astron. Astrophys. 242, 271; Marmolino et
al. 1993, Astron. Astrophys., 278, 617; Wang et al. 1995, ApJ. 444, 879). We will extend
the theoretical predictions of T - V phase difference for wave phenomena by accounting
for the effects of ionisation.
The use of ANSYS code in helioseismology. We intend to evaluate the possibility to use
"ANSYS", a finite element code, very well known in engineering and geophysics
(Moaveni S. 1999, "Finite Element Analysis Theory and Application with Ansys"), to
tackle problems in solar structure and oscillations. The use of a finite element code is
particularly suitable for solving problems in the presence of irregular geometries, due to
the easy and flexible set-up of the mesh.
Solar Active Regions: the specific duties of our research unit in the field of observations
and analysis of solar activity will be:
Developing of a reliable and agile set-up for 2-D spectroscopy based on microlens array
system at the R.D. Dunn Vacuum Tower Telescope and its extended use for flares
observations. It will require, also, the implementation of a user friendly software package,
in IDL, for the data reduction. This part of the project will be carried out in collaboration
of colleagues of the NSO and the Japanese NAO.
Observations of solar active regions in the SiI 3905.5 Angs in order to figure out
experimentally the properties of this spectral line. Form the theoretical point of view, we
will study in detail the formation of this line with the Non Local Thermodynamic
Equilibrium code MULTI, developed by Mat Carlsson. It will give also some indication
for the less evident presence of the same pattern in some of the spectrally near by lines (the
contribution of some continuum till now neglected in the formation of the low
chromosphere spectrum?).
Pubblicazioni (2000)
1) D'Angelo, G., Errico L., Gomez M.T., Smaldone L.A., Teodorani M. and Vittone A.A.:
chromospheric model for FU Ori”, Astronomy and Astrophysics, 356, 888-894, 2000
“A
Comunicazioni a congresso (2000)
1)
L.A. Smaldone, O. Scognamiglio, K.S. Balasubramaniam: “Understand Spectroheliograms Insights from Spectral Line Analysis", "II Convegno sulla Ricerca Solare Italiana", L'Aquila 3 -5
luglio 2000, in press
FISICA DELLE GALASSIE
M. Capaccioli
Attività anno 2000
-47-
Nel corso del 2000, l’attività di ricerca si è prevalentemente svolta lungo due filoni
principali:
i) coordinamento del progetto VLT Survey Telescope e dei sottoprogetti ad esso collegati;
ii) studi delle proprietà dinamiche e fotometriche delle galassie “Early Type”.
1. Progetto VST e sottoprogetti ad esso collegati
Il VLT Survey Telescope o VST è un telescopio di 2.6 metri di diametro, interamente
dedicato alle survey che, a partire dall’ottobre del 2002 diverrà operativo sul Cerro Paranal,
in prossimità del VLT. Il VST sarà corredato di una camera CCD a mosaico di 16kx16k
pixel (progetto OMEGACAM), in grado di coprire 1 grado quadrato di cielo.
In qualità di P.I. del progetto VST e di responsabile napoletano del progetto
OMEGACAM, nel corso del 2000 mi sono occupato del coordinamento delle attività di
progettazione e di realizzazione di VST e, in particolare, della messa a punto delle ottiche
(realizzate dalla ditta Lytkarino di Mosca) e delle specifiche per le gare d’appalto per la
meccanica.
L’attività principale si è comunque svolta nell’ambito della preparazione degli strumenti
software necessari alla riduzione dei dati e nella realizzazione di programmi pilota
indispensabili per giungere ad un corretto sfruttamento delle potenzialità scientifiche del
VST.
2. Pipeline riduzione dati VST
Il VST e OMEGACAM produrranno un flusso di dati stimato in circa 100 GB di dati al
giorno. Tali dati dovranno essere ridotti ed analizzati in tempi estremamente brevi,
dell’ordine di 12-24 ore ed è evidente, quindi, la necessità di mettere a punto e collaudare
soluzioni hardware e procedure software affatto nuove. Al riguardo, in qualità di
responsabile nazionale di un COFIN MURST 40% (1998-2000) ho partecipato al lavoro di
un gruppo di ricerca da me coordinato che ha svolto le seguenti attività: i) messa a punto di
procedure per la pre-riduzione e la riduzione di dati di mosaico, ivi compresa
l’implementazione di metodi innovativi per ottenere la soluzione astrometrica delle lastre;
ii) applicazione delle stesse al Capodimonte Deep Field, di cui si dirà nel paragrafo
seguente.
Il lavoro svolto nell’ambito di questo primo COFIN ha portato all’assegnazione di un
secondo COFIN (2001-2003) su tematiche affini ed alla stesura e successiva accettazione
della proposta europea ASTRO-WISE per la realizzazione di una rete di centri nazionali
per la riduzione e l’archiviazione di immagini astronomiche di grande formato.
3. Progetto CDF
Il progetto Capodimonte Deep Field o CDF consiste nell’osservazione di un campo celeste
di 1 grado quadrato con il Wide Field Imager montato al telescopio da 2.2 metri dell’ESO.
Il CDF è stato ottenuto in 10 bande fotometriche (3 bande larghe e 7 bande strette
nell’intervallo tra 714 e 953 nm) ed era finalizzato al perseguimento dei seguenti
obbiettivi: i) messa a punto delle procedure per la riduzione dei dati VST di cui si è detto al
paragrafo precedente; ii) svolgimento di programmi scientifici pilota e, in particolare:
ricerca di oggetti rari e peculiari (quasar di alto redshift, quasar di tipo 2, lenti
-48-
gravitazionali, etc.); identificazione e studio di sferoidi galattici ad alto redshift; ricerca di
transienti astrometrici (asteroidi) e fotometrici (stelle e o AGN variabili).
Malgrado la complessità del progetto, che ha richiesto l’acquisizione e la riduzione di circa
500 GB di dati, già nel corso del 2000 è stato possibile ottenere i primi risultati quali:
scoperta di una lente gravitazionale a redshift 2.3 (Longo et al., in preparazione); scoperta
di numerosi asteroidi (tra cui uno con un periodo di rotazione di soli 4 minuti, Ortiz et al.,
in preparazione).
4. Proprietà dinamiche e fotometriche delle galassie “Early-Type”
In tale settore, è giunta a conclusione la prima parte di uno studio pluriennale sulla
possibilità di utilizzare le costanti del cosiddetto Piano Fondamentale delle Galassie
Ellittiche come traccianti cosmologici e, in particolare per derivare informazioni sui
meccanismi di formazione ed evolutivi degli ammassi di galassie. I primi risultati ottenuti
mostrano: i) che è impossibile ottenere informazioni accurate sulle costanti del PF in
assenza di un campionamento statistico significativo dell’ammasso; ii) che l’inclinazione
del PF rispetto a quella prevista dal Teorema del Viriale è solo in parte spiegabile dai
fenomeni di non omologia.
Un ulteriore lavoro è consistito nello studio della dinamica delle regioni più esterne delle
galassie ellittiche usando come traccianti le nebulose planetarie. Il lavoro, che ha richiesto
osservazioni fotometriche e spettroscopiche con telescopi australiani e dell’ESO, ha
condotto ai seguenti risultati: i) ha permesso di ricavare informazioni sulla cinematica della
galassia NGC 1399 fino ad oltre 10 raggi efficaci dal centro e di mostrare che la cinematica
di queste regioni è disaccoppiata da quella delle regioni più interne; ii) ha condotto
all’identificazione di nebulose planetarie non collegate alla galassia principale ed alla
successiva identificazione della prima popolazione stellare intra-cluster; iii) ha condotto
alla scoperta di “9 Lyman-a emitters” che saranno oggetto di futuri studi di
approfondimento.
5. Pubblicazioni:
F. La Barbera; G. Busarello; M. Capaccioli, Fitting planes to early-type galaxies: MIST for
the determination of the fundamental plane. 2000, A&A, 362, 851,
R. Kudritzki; R.H. Méndez; J.J. Feldmeier; R. Ciardullo; G. Jacoby; K.C. Freeman; M.
Arnaboldi; M. Capaccioli; O. Gerhard; H. Ford. Discovery of Nine LYα Emitters at
Redshift Z~3.1 Using Narrowband Imaging and VLT Spectroscopy. 2000, ApJ, 536, 19,
The fate of dwarf satellite galaxies (or: Can we observe soft merging?) G. Richter; J.
Vennik; P. Böhm; M. Capaccioli. 2000, sgg..conf., 121,
M.Arnaboldi; M. Capaccioli; D. Mancini; R. Scaramella; G. Sedmak; R. Kurz. The VST -VLT Survey Telescope. 2000, fepc.conf., 204, 2000, fepc.conf., 126
M. Arnaboldi; M. Capaccioli; H. Ford; K.C. Freeman; R. Kudritzki; O. Gerhard; R.
Méndez. Intracluster Planetary Nebulae, 2000emr..confE, 56
-49-
M. Arnaboldi; M. Capaccioli; R. Ciardullo; J. Feldmeier; H. Ford; O. Gerhard; R.
Kudritzki; G. Jacoby; R.H. Méndez; R. Sharples. 2000, dgeu.conf..389, Freeman, K. C.;
Intracluster Planetary Nebulae in the Virgo Cluster
E. Iodice; M. Arnaboldi; M. Capaccioli; F. Combes; K. Freeman; P. Salucci; L. Sparke.
Photometric Properties of the Polar Ring Galaxy NGC 4650A in the NIR 2000,
dgeu.conf., 133,
M. Arnaboldi; N. Napolitano; M. Capaccioli. Extragalactic Planetary Nebulae as Mass
Tracers: Biases in the Estimate of Dynamical Quantities 2000, dgeu.conf., 103,
ASTROFISICA DELLE STELLE VARIABILI
F. Barone, L. Milano, R. Tagliaferri*, A. Vittone*, L. Errico*, D. Chocol*, T. Priboulla*
Attività 2000
L'analisi spettrale di segnali periodici da dati non equi-intervallati rappresenta un soggetto
di rilevante importanza in parecchi campi scientifici. In astrofisica risulta importante
determinare il periodo fondamentale di curve di luce o di velocità radiali da dati di stelle
binarie o pulsanti, acquisiti con tecniche spettroscopiche o fotometriche.
L'analisi spettrale classica di queste particolari serie temporali risulta inadeguata per
affrontare il problema. A tale scopo stiamo esplorando diverse promettenti tecniche di
stima, estrazione del segnale ed analisi basate sull'impiego di reti neurali Hebbiane
supervisionate e non, accoppiate ad uno stimatore spettrale ottimo (MUSIC).
Altro tema di ricerca e’ connesso con la diagnostica di fasi evolutive di stelle binarie con
particolare riferimento alle binarie di tipo solare. E’ stata studiata la binaria RSCVn simile
RT And .
Programma 2001
Si continuerà l'attività del 2000.
The spectral analysis of periodic signals from unevenly sampled data is a subject of
relevant importance in several scientific fields. In astrophysics it is important to determine
the fundamental period of light curves or radial velocities from data of binary or pulsating
stars, acquired with spectroscopic and photometric techniques.
The classical approach to the spectral analysis of these particular temporal series is not
sufficient to face this problem. To this purpose, we are exploring several promising
techniques for the signal estimation and extraction and analysis based on the use of
Hebbian supervised and non supervised neural networks, coupled with an optimum
spectral estimator (MUSIC). We will continue also the study of eclipsing binaries of solar
type with particular reference to the evolution status of RSCVn-like binaries.
-50-
2001 Program
We will continue the previous year activity.
RIVELAZIONE DI ONDE GRAVITAZIONALI
F.Barone, E.Calloni, L.Di Fiore*, F. Garufi, L. Milano, R. Tagliaferri*
Attività 2000
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 di Data Distribution è stato completato ed è tuttora in fase di test
nell'acquisizione di grosse moli di dati.
- Nell'ambito dell'Environment Monitoring, invece, si è proceduto alla progettazione e
realizzazione di sensori di campo elettromagnetico per la misura degli effetti di tali
disturbi su Virgo, nonchè alla realizzazione di un sistema di acquisizione distribuita di
parametri ambientali quali pressione, temperatura, umidità, ecc.
- Il sistema per la Transfer Function Measurement è stato completato ed i relativi test
hanno mostrato un comportamento soddisfacente.
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.). Sempre, poi, nell'ambito dell'R&D per
VIRGO, 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.
Infine, nell'ambito della Data Analysis il gruppo di Napoli coordina due settori:
- 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 ricerca sull'analisi dati di segnali
gravitazionali emessi da pulsar e da binarie coalescenti e si sono implementati dei metodi
-51-
che potrebbero risolvere molti dei problemi che presenta l'analisi convenzionale. Tra
questi metodi molto promettenti sembrano le reti neurali che consentono di identificare in
maniera opportuna e conveniente sia i rumori sia i segnali presenti.
- progettazione e realizzazione del sistema di Data Quality di Virgo.
Tale sistema è necessario per identificare e 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 2001
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'implementazione di un sistema di controllo
e locking digitale ad alta frequenza per un laser e lo studio di algoritmi per
l'identificazione di segnali provenienti da binarie coalescenti. Iniziera’ inoltre la misura
della funzione di trasferimento dei superattenuatori del central building interferometer sul
sito di VIRGO.
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.
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 Data Distribution system has been completed and is under test for the acquisition of
large amounts of data.
- In the framework of the Environmental Monitoring system, we designed and realised
electromagnetic field sensors to measure the effects on VIRGO of this kind of noise.
Moreover we realised a system of distributed acquisition of environmental parameters
such as pressure, temperature, humidity, etc.
- The Transfer Function Measurement system has been completed and its test showed a
very satisfying behaviour.
As far as the VIRGO R&D is concerned we are designing and testing the possibility of
using 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
-52-
electromagnetic perturbations (lightnings, storm clouds, etc). In the same frame, 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.
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. Among these methods, very promising appear the use of neural networks,
allowing us to conveniently identify both signals and noises.
- The design and realisation 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.
2001 Program
We 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.
Additionally we will continue the experimentation of algorithms for the data analysis and
the development of neural networks for signal extraction from noise. We will also follow
with the implementation of the completely digital high frequency laser locking control
system and with the study of algorithms to identify the signals coming from coalescing
binaries. Also the measurement of the transfer function of the superattenuator central
interferometer will start on the VIRGO site.
INTERFEROMETRIA LASER DI ELEVATA PRECISIONE
F. Barone, E. Calloni, L. Di Fiore*, G. Di Sciascio*, L. Milano, L. Rosa, C. Stornaiolo*.
Attività 2000
Si è iniziata la realizzazione di una facility dipartimentale consistente in una cavità ottica
sospesa illuminata con una sorgente laser prestabilizzata su di una cavità rigida di
riferimento. Sono stati ordinati i principali componenti ottici, il laser, e si sono analizzate
le prestazione dei filtri digitali per l'utilizzo nella stabilizzazione delle componenti sospese.
A tal fine si e' iniziato uno studio sperimentale per verificare la possibilità di utilizzare
sospensioni magnetiche per gli elementi ottici di grandi rivelatori di onde gravitazionali,
come Virgo. In questo ambito è stata realizzata una sospensione magnetica operata con
feed-back digitale ad alta risoluzione che ha consentito di realizzare un primo
interferometro da banco avente uno specchio - del peso di 100 gr - levitato
magneticamente.
-53-
Un'interessante applicazione dell'interferometria sospesa potrebbe consistere nella misura
dell'effetto Casimir con una notevole precisione. Questo permetterebbe di discriminare tra
varie teorie nelle forze di lungo range che debbono essere verificate sperimentalmente.
Si è iniziato uno studio teorico per verificare se nell'ambito delle teorie proposte come
alternative alla relatività ristretta o generale vi siano parametri misurabili
sperimentalmente con tecniche interferometriche.
Un primo risultato raggiunto è stata la dimostrazione -teorica- della possibilità di misurare
sperimentalmente con un buon rapporto segnale rumore l'effetto di dipendenza della
velocità della luce dalla posizione in sistemi di riferimento non inerziali. L'effetto non e'
mai stato verificato sperimentalmente, dunque il risultato riveste un interesse anche
nell'ambito della relatività ristretta standard.
Inoltre si è calcolato l’effetto dell’accoppiamento dei tilts degli specchi di VIRGO con il
campo gravitazionale terrestre. Si è dimostrato che la variazione di fase dell’interferometro
si può utilizzare per una misura del parametro post-newtoniano gamma, con una
precisione, in principio, di interesse per il test di alcune tra le più accreditate teorie di
gravitazione alternative alla relatività generale.
Programma 2001
Si continuerà la realizzazione della facility cominciando con la prestabilizzazione della
sorgente e si continuerà lo sviluppo ed i test su sospensioni magnetiche, con diverse
configurazioni (anche con magneti posizionati in repulsione), per levitare specchi di massa
superiore.
Il lavoro teorico riguarderà la possibilità di estendere la misura interferometrica
all'accelerazione dovuta al campo gravitazionale terrestre.
The realization of a facility has been started. It is a suspended optical cavity illuminated
with a Ng:Yag laser prestabilized on a rigid reference cavity. The optical components have
been ordered, with the al ser, and the performance of the digital filters have been analized
with respect to suspended optical components control.
In this framework an experimental study has been carried out with the aim of verifying the
possibility of using magnetic suspensions for the optical components in very large
gravitational wave interferometers, like Virgo. A magnetic suspension has been realized,
operated in feed-back with high resolution digital filters and a first optical bench
interferometer has been realized having a magnetic suspended mirror of mass of 100 gr.
An interesting experiment that can be carried out with a
suspended Michelson
interferometer is the
measurement of the Casimir force between plates with good signal-to-noise ratio. This
would allow one to discriminate between various long-range force theories which still
need experimental verification.
A theoretical work has been started with the aim of understanding if it is possible, in the
framework of Special or General Relativity alternative theories, to measure experimental
parameters which discriminate between the various theories. A first result
is the
demonstration (theoretical) of the possibility to measure the position depending on the
velocity of light in accelerated systems. This effect has never been measured before, so it
is interesting even in the framework of Standard Relativity Theory.
-54-
Furthermore the effects of coupling of VIRGO mirror tilts with earth gravitational field
has been computed. It has been shown that the tilt-induced interferometer phase
fluctuation can be measured with a precision, in principle, of interest to test some of the
main accredited alternative theories of gravitation.
2001 Program
The realization of the facility will be continued starting with the laser stabilization, while
the work on magnetic suspensions will be devoted to increase the mass of the suspended
mirror using the same active and passive configuration and also studying new magnetic
passive repulsive configurations.
The theoretical work will be devoted to extend the analysis to the gravitational
acceleration of the earth.
Pubblicazioni Internazionali
F.Barone, A.Eleuteri, F.Garufi, L.Milano: “Data Archiving and Distribution of the Virgo
Antenna for Gravitational Wave Detection”, 2000, IEEE Transactions on Nuclear
Physics, 47 (2).
E.Calloni, L.Di Fiore, G.Di Sciascio, L.Milano, L. Rosa, C.Stornaiolo; “Coupling of mirror
tilts with earth gravitational field in long baseline interferometric gravitational –wave
detectors": Physics Letters A 268 (2000) 235-240.
T. Pribulla, D.Chocol, L.Milano, L.Errico, A.A.Vittone, F.Barone, S.Parimucha, "The RS
CVn eclipsing binary RT And revisited", 2000, Astronomy and Astrophysics, 1 (2000)
169-188
Relazioni a Congressi Internazionali
F.Barone, A.Eleuteri, F.Garufi, L.Milano: “Data Archiving and Distribution of the Virgo
Antenna for Gravitational Wave Detection”, in “Gravitational Waves”, Proceedings of the
“III Amaldi Conference”, S.Meskov editor, AIP, pp. 461-462 (2000).
A.Anastasio, F.Barone, A.Eleuteri, F.Garufi, L.Milano: “The Environment Monitoring of
the VIRGO Antenna for Gravitational Wave Detection”, in “Gravitational Waves”,
Proceedings of the “III Amaldi Conference”, S.Meskov editor, AIP, pp.463-464 (2000).
F.Barone, A.Ciaramella, A.Eleuteri, F.Garufi, L.Milano, R.Tagliaferri: “A Neural Network
Approach for the Noise Identification and Data Quality of the VIRGO Antenna”, in
“Gravitational Waves”, Proceedings of the “III Amaldi Conference”, S.Meskov editor,
AIP, pp.465-466 (2000).
F.Barone, A.Eleuteri, F.Garufi, L.Milano, R.Tagliaferri: “Gravitational Wave Signal
detection with Neural Networks for the VIRGO Antenna”, in “Gravitational Waves”,
Proceedings of the “III Amaldi Conference”, S.Meskov editor, AIP, pp.467-468 (2000).
-55-
FISICA DEI PLASMI
Umberto de Angelis, Antonio Forlani
Attività 2000
1) Si è proseguito il lavoro sulla nuova teoria cinetica dei plasmi complessi formulata da
Tsytovich e de Angelis:
a) si sono studiate le proprietà degli integrali di collisione tra particelle di polvere,
determinando il potenziale di interazione.
b) In collaborazione con G. Lapenta ( politecnico di Torino) si sono risolte
numericamente le equazioni cinetiche calcolando l’evoluzione delle funzioni di
distribuzione, dell’energia e della carica sui grani.
2) Per particelle di polvere fortemente accoppiate si è utilizzato il Modello Sferico Medio
per trovare il fattore di struttura nello stato di liquido denso:
3) Si è riesaminato il problema del caricamento di un grano nel plasma, dimostrando
l’inconsistenza del corrente modello OML.
Programma 2001
Si continua il lavoro sulla teoria cinetica, esaminando il problema del caricamento, le
fluttuazioni di carica e il regime idrodinamico.
Abstract
The kinetic theory of dusty plasmas,formulated by V.Tsytovich and U.de Angelis,has been
used to study the properties of the dust-dust collision integrals and the evolution of the
plasma distribution functions,energy and grain charge.
The structure factor of strongly coupled dust particles has been found from the Mean
Spherical Model including the effect of an attractive long-range potential.
The orbital motion limited theory for charging of a single grain in a Maxwellian plasma
has been shown to be inconsistent.
Pubblicazioni
U.de Angelis,A.Forlani and G.Masiello :”Mean Spherical Model for strongly couplet
dusty plasmas” Phys.Plasmas 7,3198,2000
J.E.Allen,B.Annaratone and U.de Angelis :”On the orbital motion limited theory for a
small body at floating potential in a Maxwellian plasma” J.Plasma Phys. 63,299,2000
P.Ricci,G.Lapenta,U.de Angelis and V.N.Tsytovich: ”Plasma kinetics in dusty plasmas”
Phys.Plasmas 8,769,2001
V.N.Tsytovich and U.de Angelis: ”Kinetic theory of dusty plasmas. III.Dust-dust collision
integrals”-Phys.Plasmas-8,1141,2001
-56-
FISICA GENERALE
(Responsabile di Sezione: Prof. P. Gasparini)
-57-
-58-
CIBERNETICA E INFORMATICA
INTELLIGENZA ARTIFICIALE, RETI NEURALI
M. Benerecetti, E. Catanzariti, G. Criscuolo, F. Cutugno,
F. E. Lauria, E. Minicozzi, G. Trautteur,
Attività 2000
Reti Neurali. Nel corso del 2000 sono proseguite le ricerche sulle reti neurali
booleane adattabili organizzate in assemblee e primitive. Si è continuato a sviluppare 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 realizzare. Sono proseguite le prove
della rete adattabile come sistema addestrabile ad apprendere sia l’esecuzione di sequenze
arbitrariamente lunghe di azioni primitive che l’assegnazione degli identificativi delle
assemblee universali necessarie alla gestione della loro esecuzione. E' poi proseguito lo
sviluppo della rete booleana composta da assemblee universali, cioè tali da garantire un
corretto funzionamento della rete anche se nessun addestratore è presente per guidare
l’apprendimento.
Computer Vision. Nel corso del 2000 si è avviato uno studio di fattibilità di un
progetto di ricerca in collaborazione con il CNR riguardante la lettura e documentazione di
scritture corsive di età romana. Nelle sue linee generali, la ricerca prevede un’architettura
di prima elaborazione costituita da due stadi di elaborazione successivi, il primo preposto
alla localizzazione del testo presente nell’immagine, il secondo avente la funzione di
fornire una prima descrizione del testo estratto dal primo modulo.
Intelligenza artificiale. Si sono elaborati progetti in due direzioni: Beni Culturali e
Assistenza a soggetti deboli. Entrambi i progetti richiedono lo studio e la realizzazione di
architetture ad agenti e ibride, distribuite per sistemi autonomi, adattivi, intelligenti,
interagenti fra loro e comunicanti con 'umani'. Per i singoli agenti saranno sperimentate
varie tipologie, agente reattivo, agente cognitivo, agente BDI (Belief-Desire-Intention). Le
architetture ibride neurosimboliche, alle quali facciamo riferimento, permettono di
progettare sistemi efficienti capaci di sfruttare insieme gli aspetti positivi della
computazione neurale e della computazione simbolica. Tali sistemi risultano
particolarmente appropriati per task che richiedono sia forme articolate di ragionamento
(competenza del modello simbolico), sia forme di pattern recognition, per le quali le
soluzioni neurali, efficienti e intrinsecamente parallele, risultano essere le più appropriate.
Questi progetti sono in collaborazione con l'Istituto di Cibernetica del CNR (prof. Ernesto
Burattini) e con il prof. Marco Loops, Ordinario di Telecomunicazioni all'Università di
Cassino.
Programma 2001
Reti Neurali. Si pensa di proseguire la configurazione di una rete neurale booleana
adattabile organizzata in assemblee universali capace di apprendere sequenze specifiche,
capace cioè di associare specifici input a specifiche sequenze di risposte motorie. Inoltre si
pensa di sviluppare delle assemblee universali in grado di apprendere non solo il controllo
dell’esecuzione di specifiche sequenze di primitive ma anche in grado di apprendere il
-59-
proprio identificativo, senza cioè dover implementare quest’ultimo fin dal momento della
definizione iniziale della rete. A tal fine sarà continuato lo sviluppo del package Java
it.na.cy.nnet ed una volta messa a punto la simulazione della desiderata rete neurale si
svilupperanno gli ambienti con i quali far interagire la rete.
Computer Vision. Ci si propone di realizzare entro il 2001 il primo stadio del sistema
di riconoscimento facendo uso di un algoritmo gerarchico bayesiano di rilevazione delle
tessiture e di tecniche di rappresentazione basate sulla trasformata di Gabor.
Intelligenza Artificiale. Si stanno perfezionando i progetti definiti nel 2000,
nell'ambito di una proposta più generale relativa agli scavi di Ercolano e all'interno di due
linee di ricerca proposte a livello europeo: global computing e embedded computation. Le
principali tematiche che affronteremo sono:
1) Studio e definizione di modelli di computazione distribuita, adeguati a rappresentare
queste attività realizzate da entità autonome, evolventesi nel tempo, sensibili al
contesto, e tali che entità nuove possano essere continuamente inserite.
2) Definizione delle astrazioni di programmazione che permettono di costruire programmi
robusti e affidabili.
3) Studio e definizione della nozione di autonomia, contesto, "apertura dell'ambiente" e
Ambiente.
4) Studio della natura dei tradeoffs fra apertura, "sicurezza" e "fiducia".
5) Studio della Logica adeguata alla descrizione di questi processi di computazione e alla
specificazione delle loro proprietà.
Neural Networks. We shall continue the research on the adaptable Boolean neural
networks organized in assembly and primitive subnets. In particular we shall further
develop the Java package so to implement the neural net simulators defined by means of
the high level language CONNET, actually the nets computing the algorithms
implementing the user defined systems. Furthermore, we have started to test how the
adaptable nets learn arbitrarily long sequences of primitive actions and the possibility to
train them to the auto-assignment of their own identifiers. Eventually, we have continued
to develop an adaptable 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.
Computer Vision. We started a joint research program on the computer reading of
roman age cursive written text. Following observations on the specific image domain we
have devised an image processing architecture made up of a sequence of two independent
modules.
Artificial Intelligence. We started two joint research programs with CNR (Italian
National Research Council) and the University of Cassino in the field of Beni Culturali
and Assistance to the handicapped. Both projects require the study and the implementation
of distributed architectures, both hybrid and agent, for autonomous intelligent adaptable
inter-acting systems capable of communicating with humans. We will experiment with
several types of agents such as cognitive agents, reactive agents and BDI (Belief-DesireIntention) agents. Our hybrid neuro-symbolic architecture will allow the design of efficient
systems capable of exploiting the positive aspects of both neural and symbolic
computation. Such systems have proved particularly effective for tasks where complex
reasoning is required.
-60-
2001 Program
Neural Networks. We plan to continue to consider an adaptable Boolean neural net
organized in universal assemblies to be trained to control the execution of specific
sequences, i.e., to be trained to associate specific input sequences to specific elementary
motor output, namely primitive, sequences. To verify the end result correct behaviour, we
are planning to continue to develop the Java package it.na.cyber.nnet and, once the desired
neural net has been simulated, we are planning to define the environments the net has to
interact with. Furthermore, we plan to continue investigating the possibility to have the net
autonomously learning to associate to the universal assemblies their identifiers, namely the
equivalent of the memory address in a von Neumann architecture.
Computer Vision. We plan to realize the first stage of the intended architecture by
implementing a multichannel bayesian texture recognition algorithm and a representation
scheme based on Gabor transform.
Artificial Intelligence. We are refining our projects within the general application
field of Herculaneum excavations.
We plan to pursue the following research themes:
1) Study and definition of models of distributed computation, capable of representing
time-varying context-sensitive activities.
2) Definition of program abstractions for the implementation of robust and reliable
programs.
3) Study and definition of crucial concepts such as Autonomy, Open Environment and
Environment.
4) Study and definition of “openness”, safety and confidence trade-off.
5) Study of a logic formalism adequate to the description of the above-mentioned
communication processes and of their properties
Pubblicazioni
1) Lauria, F. E., R. Prevete, M. Milo: "An Adaptable Boolean Neural Network Performing Specific Sequence
Learning" IJCNN2000, Como, Italy (EU) Sun-Ichi Amari, Sun Lee Giles, M. Gori, V. Piuri eds.: Neural
Computing: New Challenges and Perspectives for the New Millennium. IEEE Computer Soc. (Los Alamitos,
CA, USA) Vol. 3 (2000) 181-185. ISBN: 0-7695-0619-4.
2) Lauria, F. E., R. Prevete: "An algebraic approach to the autonomously self-adaptable Boolean neural nets"
Acc. Sc. Fis. e Mat., Liguori, (Napoli), 299 + xi. (in print). http://www.na.infn.it/Gener/cyber/report.html.
3) Lauria, F. E., R. Prevete: "Specific sequence learning by an adaptable Boolean neural network" M.
Marinaro & R. Tagliaferri eds. "Neural networks WIRN Vietri-01" (accepted).
4) Lauria, F. E.: "A formal approach to sequence learning" (to be submitted for publication).
DIDATTICA DELLA FISICA
DIDATTICA DELLA FISICA. FORMAZIONE INSEGNANTI
APPLICAZIONI DEGLI ELABORATORI NELLA DIDATTICA
E. Balzano, P. Ferraro*, P. Guidoni, G. D’Ajello Caracciolo*, S. Lombardi*, G. Mendella*,
G. Monroy, C. Paolantonio*, E. Sassi, I. Testa*
-61-
Attività 2000
L’attività del gruppo si sviluppa secondo due Linee di ricerca, indicate con A e B, a loro
volta articolate in diversi Progetti.
Linea A. L’attività di ricerca qui sotto descritta si inserisce in un programma
pluriennale sul tema delle Applicazioni degli Elaboratori nella Didattica della fisica. Il
gruppo ha partecipato nel 2000 ai seguenti Progetti:
•
Progetto Europeo STISS (Science Teacher Training in Information Society)
dicembre 97-febbraio 2001
Questo progetto, finanziato dalla Commissione EU nell’ambito del Programma TSER
(Targeted Socio-Economic Research); coordinato dalla Spagna (prof. Roser Pinto,
Barcelona); partecipano i seguenti gruppi: - Spagna (coord. R. Pinto), Francia (coord. L.
Viennot), Italia (coord. E. Sassi), Norvegia (coord. A.Quale), Regno Unito (coord. J.
Ogborn).
L’indagine condotta nel primo anno di ricerca, sulle trasformazioni introdotte dagli
insegnanti allorché implementano in classe delle innovazioni didattiche, ha riguardato:
- la natura dell’uso fatto dagli insegnanti di tecnologie informatiche;
- le difficoltà nell’insegnamento e apprendimento di rappresentazioni grafiche;
- l’implementazione da parte degli insegnanti di strategie didattiche innovative.
L’area di contenuto è, per il nostro gruppo, relativa a materiale didattico sul tema di “Forze
e Moto” preparato negli anni precedenti dal nostro gruppo, in collaborazione con altre
Università italiane e nell’ambito di una ricerca finanziata dal MURST.
I risultati danno delle forti indicazioni, comuni nei paesi in cui è stata condotta l’indagine,
sulle difficoltà di implementazione delle innovazioni didattiche.
Sulla base di tali risultati si sono prodotti materiali didattici per formazione insegnanti, che
presentano alcuni aspetti innovativi:
a) sono rivolti ai formatori degli insegnanti. Contengono diverse attività e indicazioni per
i formatori sui modi per condurre dei Workshop di formazione. Tali Workshop mirano
a favorire l’adozione da parte degli insegnanti delle innovazioni didattiche;
b) i materiali basati su risultati di ricerca contengono attività su: - analisi di studi di caso
su esempi di reali implementazioni di innovazioni didattiche; - guide per i formatori; analisi delle trasformazioni che possono avere luogo.
• Programma di ricerca nazionale (MURST) “Spiegare e capire in fisica” (SeCiF);
gennaio 2000 – dicembre 2001, coordinato da P. Guidoni e rivolto a produrre nuovi
modelli per una formazione culturale in fisica, integrato all’uso di nuove tecnologie.
Sono in fase di sviluppo materiali di formazione per insegnanti di Scuola Secondaria
Superiore, o Scuola di Specializzazione Insegnanti, i Corsi di perfezionamento in Didattica
della Fisica e della Matematica e la nuova offerta didattica dei corsi di laurea “3 + 2”, sul
tema di Cinematica e Forze. Tali materiali, denominati KINFLOR, organizzati in percorsi
didattici, propongono una strategia didattica innovativa per l’insegnamento di “moto e
forza” a livello di scuola secondaria. Le lineee guida di tali percorsi sono il passaggio dal
“Reale all’ideale”: la costruzione della conoscenza disciplinare parte dall’analisi di
esperimenti in tempo reale e procede verso il riconoscimento di regolarità e regole e infine
il modello matematico.
• Progetto EU “Science Teacher Education Development in Europe” (STEDE)
(coordinator Cecile Vander Borght, Francia), che ha come obiettivo la costruzione di
un network tematico per favorire sia l’uso effettivo curriculum scientifici che essere di
-62-
riferimento per la ricerca didattica, in particolare per la formazione scientifica degli
insegnanti.
Linea B. Questa Linea di ricerca sull’insegnamento e apprendimento della fisica è
caratterizzata da una doppia strategia: da un lato analisi accurata dei problemi di
comprensione e apprendimento nelle condizioni di insegnamento reale; dall’altro
revisione, anche profonda, delle modalità di presentazione della disciplina, per ottimizzare
le possibilità di risonanza (nella comprensione e nella motivazione). Con diverse modalità,
il problema è affrontato a tutti i livelli di insegnamento (dalla scuola elementare all’inizio
dell’università), con attenzione prioritaria alla continuità longitudinale e trasversale
nell’apprendimento dei concetti fisici.
La Linea si articola attualmente in quattro Progetti:
1) Progetto nazionale SeCiF (<Spiegare e Capire in Fisica>; finanziamenti MURST,
novembre 1999-novembre 2001; in collaborazione con le università di Milano, Palermo,
Pavia, Torino, Udine; coordinatore scientifico Prof. P. Guidoni). Il Progetto si propone di
produrre, su alcuni Temi emblematici, tracce di percorsi (concettuali e metodologici) e
proposte particolareggiate per la comprensione della fisica che coprano sia il ciclo di base
che il ciclo secondario della scuola riformata. I temi affrontati nel primo biennio di lavoro,
sulla base delle esperienze di ricerca sviluppate nelle diverse università e dei risultati
internazionali, sono: meccanica, termologia e meccanica statistica, introduzione alla
meccanica quantistica, luce. I materiali del progetto, mirati in primo luogo alla formazione
dei docenti ma utilizzabili anche per il lavoro in classe, saranno reso disponibili in rete.
Caratteristica di tutte la proposte sarà la stretta integrazione sia del laboratorio tradizionale,
sia dell’uso del calcolatore in diverse modalità (acquisizione ondine di dati, analisi di dati,
simulazione, fit ….) nel percorso concettuale.
2) Progetto-Pilota CSP (<Capire si può>; finanziamenti MPI su Progetto SET
direttamente alle Scuole, 1999-2001; coordinatore scientifico Prof. P. Guidoni).
Il progetto si integra al precedente negli obiettivi di fondo e nelle metodologie di ricerca,
concentrandosi sulla fisica scolare dell’obbligo di affrontare anche argomenti
di matematica in stretta relazione a quelli di fisica.
3) Progetto-Pilota LES (<Laboratorio per l’Educazione alla Scienza>; finanziamenti
MPI e Fondazione IDIS, 1999-2002; coordinatore scientifico E. Balzano, sito web
www.les.unina.it.
Il Progetto si concentra sulla progettazione, sperimentazione e trasferimento alle scuole di
brevi percorsi didattici su diversi argomenti di fisica, basati sull’uso ottimale del
laboratorio. I temi affrontati sono: Probabilità e Misura, Cinematica, Forza e Moto,
Energia, Calore e Temperatura, Luce e Colori, Circuiti Elettrici.
4) Progetto EduSeis (<Un sismografo didattico come strumento per la formazione e la
sensibilizzazione al rischio sismico>); finanziamenti GNDT-Fondazione IDIS; 200020002, coordinatore scientifico V.Silvestrini. sito WEB http://luxgea5.na.infn.it/.
Il Progetto sviluppato con il Gruppo di Sismologia del Dipartimento di Scienze Fisiche
(Prof. A. Zollo) è finalizzato alla progettazione di interventi didattici rivolti ad insegnanti e
studenti.
Programma 2001
-63-
Linea A. Si prevede di completare il materiale SeCiF relativo a KINFOR. Tali
materiali saranno disponibili in rete.
Il network tematico STEDE verrà presentato nel corso della conferenza ESERA 2001,
agosto 2001.
Linea B. Tutti e quattro i Progetti citati saranno in pieno sviluppo nel 2001.
The activity of the group is evolving along two Research Lines, hereafter labelled A and B,
each one articulated according two different Projects.
Line A. The research described hereafter is part of a many years program on the
theme of the applications of the information technologies in the schools. The group is
involved in the following Projects:
•
European Project STISS “Science Teacher Training in Information Society” Dec 97Feb 2001.
This research project is done in the framework of the TSER (Targeted Socio-Economic
Research) Program, is coordinated by Spain (prof. Roser Pinto, Barcelona) and sees the
participation of the following groups: - Spain (coord. R. Pinto), France (coord. L.
Viennot), Italy (coord. E. Sassi), Norway (coord. A.Quale), UK (coord. J. Ogborn).
The research done during the first year about the transformations introduced by teachers
when they implement innovative didactic strategies in their classes, has been relative to:
- the nature of the use made by science teachers of informatic tools;
- the difficulties encountered in teaching and learning graphic representations;
- the way teachers implement innovative didactic strategies.
The content area has been that of "Force and Motion" (a set of materials produced in the
past few years by our group, in collaboration with other Italian Universities, in the
framework of a research funded by MURST).
Research based materials for teachers’ training have been produced. They are innovative
for at least two reasons:
a) they are aimed at teachers’ trainers; many activities and briefings are given to the
trainers to implement a Workshop aimed at favouring the adoption of innovative
teaching strategies.
b) The research based materials contain activities about: analysis of Case Studies on real
examples of class implementation of didactic innovation; briefings for the trainers;
analysis of the main transformations that may occur during class practice.
• National Project (MURST) “Spiegare e capire in fisica” (SeCiF) (Teach and explain in
physics) January 2000- December 2001, co-ordinated by P. Guidoni), aimed at
producing new models for cultural training in physics, integrated with the use of
informatic technologies.
Training materials for the teachers of Secondary School, for the Scuola di
Specializzazione Insegnanti, Corsi di perfezionamento in Didattica della Fisica e della
Matematica, are being prepared on the theme of Kinematics and Forces. Such materials
called KINFOR, are presented as a set of didactic paths. They propose a teaching
strategy, for such content area, based on approaches from “Real to Ideal”. Disciplinary
knowledge construction starts from the analysis of real time experiments, then proceeds
toward the recognition of regularities and rules and to the mathematical model.
• EU Project “Science Teacher Education Development in Europe” (STEDE)
coordinator Cecile Vander Borght The focus is the construction of a thematic network
-64-
to develop the effective use of curriculum and didactic research and development in the
development of teachers of science and technology, particularly with respect to
education for scientific literacy.
Line B. This Research Line on physics Teaching is characterised by a double strategy:
on one side, a careful analysis of learning’s and understanding’s problems in real teaching
conditions; on the other side, a revision (eventually a deep one) of the common
presentation of Physics, aiming to optimise its resonant impact (on both planes of
conceptualisation and motivation). The same problems are studied at all teaching levels
(from elementary school to University beginning), with high priority to longitudinal and
transverse continuity in learning physical concepts.
This Research Line is now articulated into four Projects:
1)SeCiF National Project (<Explaining and understanding in Physics>); funded by
MURST, November 1999-November 2001; in collaboration with Milano, Palermo, Pavia,
Torino, Udine Universities; scientific coordinator Prof. P. Guidoni). The Project aims to
produce on some emblematic Themes, both curricular patterns (conceptual and
methodological ones) and specific teaching proposals for explaining /understanding
Physics. Both “cycles” of the recently reformed Italian school (basic and secondary cycle)
will be covered. The Themes developed in the first two years of Project’s work, on the
basis of national and international research results, will be: Mechanics, Thermology and
elementary Statistical Mechanics, Introductory Quantum Mechanics, light. The Project’s
materials, first-aimed to teachers’ formation but also usable by students, will be available
in web format. All proposals will be characterised by a tight integration into the conceptual
path of both traditional laboratory activities and different modes of computer’s use (online
data acquisition, data analysis, simulation, fit …).
2)CSP “Pilot-Project” (<Understanding is possible>; schools directly funded by
MPI within SeT National Project, 1999-2001; scientific coordinator Prof. P. Guidoni).
This Project is integrated to the proceeding one in the both objectives and research
methods, and is concentrated on the compulsory-school age span; Mathematics’ subjects
are also developed, in strict integration with Physics’ones.
3)LES “Pilot-Project” (<Laboratory for Science Education>; funded by MPI-SeT
and IDIS Foundation, 1999-2002; scientific coordinator E. Balzano, Web site
www.les.unina.it).
The Project aims to the design, the experimentation and the transfer to schools of teaching
sequences on different Physics’ subjects, based on an optimised laboratory activity. The
topics are: Probability and Measure, Kinematics, Force and Motion, Energy, Heat and
Temperature, Light and Colours, Electric Circuits.
4)EDUSEIS Project (<Educational Seismological European Network>); funded by
GNDT and IDIS Foundation; 2000-20002, scientific coordinator V.Silvestrini. WEB site
http://luxgea5.na.infn.it/.
The aim of the Project realised by the local working unit of seismology (lead by A.Zollo)
is the introduction of seismology teaching in high school.
2001 Program
Line A. The SeciF materials for KINFOR are planned to be completed within 2001.
They will be available in web format.
The thematic network STEDE will be presented at the ESERA 2001 Conference to be held
in August 2001.
-65-
Line B. All the four projects described above will be developing along year 20001.
Pubblicazioni
1) Balzano E., Giberti, G., Monroy, G, Sassi, (2000): "Cinematica", in "ESP B, Progetto FISISS, Physics
Education Research Groups of Milano, Modena, Napoli, Palermo, Pavia, Torino, Udine", ipertesto realizzato
by Michelini M., Santi L., Sperandeo., R.M., http://www.uniud.it/www/cird/index.htm.
2) Balzano, E., Giberti, G., Monroy, G. Sassi, E. (2000): "Introduzione al concetto di forza", in "ESP B,
Progetto FISISS, Physics Education Research Groups of Milano, Modena, Napoli, Palermo, Pavia, Torino,
Udine",
ipertesto
realizzato
by
Michelini
M.,
Santi
L.,
Sperandeo
R.M.,
http://www.uniud.it/www/cird/index.htm.
3) Testa, I., Monroy, G., Giberti, G. Sassi, E. (2000): Students’ reading Images in Kinematics: The Case of
Real-Time Graphs, International Journal of Science Education (in press).
Comunicazioni a congressi
1) E. Balzano: Le attività del Progetto LES, 7 Percorsi di Fisica in Rete. In Atti del Convegno Nazionale
MPI-Righi, Provveditorato, Fondazione IDIS (novembre 2000).
2) P. Guidoni: Cosa /come fare per cambiare (possibilmente in meglio): contributo per un promemoria, 7
Percorsi di Fisica in Rete. In Atti del Convegno Nazionale MPI-Righi, Provveditorato, Fondazione IDIS
(novembre 2000).
3) C. Dellino, P. Ferraro, G. Mendella: La sperimentazione del percorso "Luce e Colori", 7 Percorsi di Fisica
in Rete. In Atti del Convegno Nazionale MPI-Righi, Provveditorato, Fondazione IDIS (novembre 2000).
4) C. Dellino, P. Ferraro, G. Mendella: Alcune esperienze di ottica di approfondimento per "Luce e Colori",
7 Percorsi di Fisica in Rete. In Atti del Convegno Nazionale MPI-Righi, Provveditorato, Fondazione IDIS
(novembre 2000).
5) G. D’Ajello Caracciolo: La sperimentazione del percorso "Energia" 7 Percorsi di Fisica in Rete. In Atti del
Convegno Nazionale MPI-Righi, Provveditorato, Fondazione IDIS (novembre 2000).
6) C. Paolantonio: La misura del diametro della Terra con il metodo di Eratostene. Cooperazione tra classi
con la rete telematica, 7 Percorsi di Fisica in Rete. In Atti del Convegno Nazionale MPI-Righi,
Provveditorato, Fondazione IDIS (novembre 2000).
7) B. Fabbrocino, C. Paolantonio: I ragazzi del liceo imparano e insegnano fisica con i bambini di una scuola
elementare, 7 Percorsi di Fisica in Rete. In Atti del Convegno Nazionale MPI-Righi, Provveditorato,
Fondazione IDIS (novembre 2000).
8) Sassi E., Monroy G., Testa I.: Progetto STTIS: alcuni criteri per realizzare interventi e materiali per la
formazione insegnanti. Comunicazione al LXXXVI Congresso Nazionale Società Italiana di Fisica, Palermo,
ottobre 2000, p. 17.
9) Monroy G., Giberti G., Sassi E., Testa I.: Immagini di grafici cinematici da esperimenti in tempo reale
(Imm. Real-Time): elementi grafici/testuali che possono causare difficoltà di lettura/interpretazione.
Comunicazione al LXXXVI Congresso Nazionale Società Italiana di Fisica, Palermo, ottobre 2000, p. 17.
10) I. Testa, G. Monroy, E. Sassi: Teachers' Use In Class - Work Of Images Of Real-Time Graphs.
International Conference Physics Teacher Education beyond 2000. PHYTEB. Barcellona, August 27 to
September 1, year 2000. CD-ROM in press. Web site: http://blues.uab.es/phyteb/www_phyteb/.
11) G. Monroy, I. Testa, E. Sassi: Teachers' Interpretation Of Students' Difficulties When Reading Images:
The Case Of Real-Time Kinematics Graphs. International Conference Physics Teacher Education beyond
-66-
2000. PHYTEB. Barcellona, August 27 to September 1, year 2000. CD-ROM in press. Web site:
http://blues.uab.es/phyteb/www_phyteb/.
12) G. Giberti, G. Monroy, I. Testa, E. Sassi: Teachers' Interpretations Of A Proposal On "Motion And
Force" In Secondary School: Transformations Of Didactic Intentions. International Conference Physics
Teacher Education beyond 2000. PHYTEB. Barcellona, August 27 to September 1, year 2000. CD-ROM in
press. Web site: http://blues.uab.es/phyteb/www_phyteb/.
13) P. Guidoni et al.: Explaning and Understanding in Physics. SeCiF: a project for correlated teachers’
formation and curriculum innovation. Conference Physics Teacher Education beyond 2000. PHYTEB.
Barcellona, August 27 to September 1, year 2000. CD-ROM in press. Web site:
http://blues.uab.es/phyteb/www_phyteb/
14) P. Guidoni: Science Centres and Science Education. In ECSITE Annual Conference, Naples 16-18
November 2000, in press.
15) E. Balzano: Science Centres and Science Learning In ECSITE Annual Conference, Naples 16-18
November 2000, in press.
16) Guidoni et al.: Capire si Può, Atti del Convegno Nazionale, S.Severa (Roma) 20-23 giugno 2000, in
stampa.
EPISTEMOLOGIA E METODOLOGIA
CALCOLABILITÀ EFFETTIVA E LEGGI FISICHE
S. Guccione
Attività 2000
E’ stata portata avanti la ricerca su leggi fisiche non computabili e sulla possibilità di
costruire modelli formali o semiformali atti a fornire strumenti matematici che permettano
decisioni adeguate nei “segmenti non computabili” di un calcolo a partire da condizioni
iniziali.
Programma 2001
La ricerca su leggi fisiche non computabili dovrebbe focalizzarsi su uno specifico modello
matematico a partire da formule empiriche. Parallelamente inizierà una ricerca su
condizioni multiple (nel senso di D.J. Shoesmith e T.J. Smiley: “Multiple conclusion
logic”, Cambridge U.P. 1978) e decisioni a partire da dati incerti nel test di Turing.
The work carried out concerns the program on non computable physical laws and the
possibility to construct formal or semiformal models able to provide mathematical
instruments to allow adequate decisions in the “non computable segments” of a
computation starting from data.
2001 Program
-67-
The research on non computable physical laws should be focalized on a specific
mathematical model starting from empirical formulas.
A parallel research will concern multiple conditions (in the sense of D.J. Shoesmith and
T.J. Smiley: “Multiple conclusion logic”, Cambridge U.P. 1978) and decision from
uncertain data in Turing test.
Pubblicazioni
1) Guccione, S. - "Can a non computable physical law be able to predict?" in C.Garola and A.Rossi (eds.);
"The foundations of Quantum Mechanics", World Scientific (2000).
2) Guccione, S. - "Una breve nota sulla fenomenologia dell'incertezza e sul problema Babele", in corso di
stampa su EPISTEMOLOGIA.
GEOFISICA
MODELLISTICA FISICA DI PROCESSI VULCANICI
G. Giberti, G. Russo, G. Sartoris,
Attività 2000
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. I modelli sono stati
sviluppati nell'ambito della teoria dell'elasticità lineare includendo la topografia
dell’edificio vulcanico. La presenza di eterogeneità asimmetriche nelle rocce ha richiesto
lo sviluppo di modelli tridimensionali. I modelli sono stati risolti con un codice agli
elementi finiti (ANSYS). La ricerca è connessa a una tematica generale sviluppata negli
anni dal gruppo sulla valutazione e la prevenzione del rischio vulcanico.
Abbiamo anche affrontato il problema della determinazione delle condizioni in cui un
eruzione generata da una camera magmatica isolata può favorire la formazione di una
caldera. Lo studio ha riguardato fattori geometrici, pressione interna alla camera
magmatica e stress regionale. Si è sviluppato un modello per l’evoluzione della pressione
nella camera magmatica e si sono confrontati i primi risultati delle simulazioni della
stabilità meccanica del sistema con le osservazioni di terreno.
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 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 la modellizzazione della propagazione del segnale sismico in aree ad
-68-
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 2001
Misure di proprietà fisiche delle rocce vulcaniche (Campi Flegrei, Vesuvio).
Continuando l’attività di ricerca 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. E
inoltre iniziata la fase di misura sui campioni raccolti al Vesuvio. L’attività è finalizzata
allo sviluppo nei prossimi anni di una modellizzazione termica sia dei Campi Flegrei che
del Vesuvio.
Modellizzazione dell’attenuazione anelastica delle onde sismiche. È previsto il
proseguimento della ricerca iniziata, in particolare è prevista l’implementazione di un
codice alle Differenze Finite che utilizzi il modello viscoelastico sviluppato. Tale codice
potrà essere utilizzato per lo studio della propagazione del campo d’onda completo nei
Campi Flegrei.
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 del vulcano.
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 deformation field of the presence of
strong lateral and horizontal rocks’ heterogeneities . The developed models include the
presence and topography of the edifice and are three-dimensional, solved with a numerical
finite element code (ANSYS). This research is connected to a general research on the
evaluation and prevention of the volcanic risk.
We also developed a model of the evolution of the pressure within an isolated magma
chamber to asses what are the main factors that favours the generation of a small caldera
collapse formed by an eruption from such a chamber.
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 some years ago. Recently, together with M. Zamora
-69-
and collaborators (Laboratoire des Geomateriaux, Institut de Physique du Globe de Paris)
measures of permeability, thermal and electrical conductivity and attenuation have been
undertaken and the measurements are done varying pressure and temperature.
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 number of parameters which can be
easily determined. It was developed to have an efficient implementation in finite
differences codes in time domain.
2001 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. During this year moreover we will begin the measurements of the collected
Vesuvius’ samples. The determination of the rocks’ physical properties is finalised to the
modelling of the time evolution of the Campi Flegrei and Vesuvius thermal field.
Modelling of the anelastic attenuation of the seismic waves. We will continue the
mentioned activity. In particular we will implement a Finite Difference code that uses the
developed model of attenuation. This code can be useful for the study of the propagation of
the complete wavefield in Campi Flegrei.
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
1) G. Russo, G. Giberti: Mechanical stability of Mt. Vesuvius volcano: effects of asymmetries on the stress
field. Surveys in Geophysics, 21, pp. 407-421, 2000.
2) S. Tait, J. Gardner, G. Russo: The formation of small calderas during explosive volcanic eruptions: 1.
Observation and model description. Sottomesso per la pubblicazione su EPSL (novembre 2000).
GEOFISICA APPLICATA
F. Cammarano*, B. Di Fiore*, R. Di Maio, T. Iuliano*, P. Mauriello*, D. Patella,
Z. Petrillo*, C. Talia*, T. Vanorio*
Attività 2000
-70-
Applicazione di metodi elettromagnetici alla vulcanologia: studio di fenomeni
elettrici naturali, precursori delle attività vulcaniche con applicazioni al Vesuvio e ai
Campi Flegrei; sviluppo di metodi e tecniche di misura del potenziale spontaneo,
magnetotellurici e magnetovariazionali ad alta risoluzione a mare.
Tomografia 3D: affinamento dei metodi d’inversione tomografica 3D di dati di
potenziale spontaneo, geoelettrici, magnetotellurici, gravimetrici e magnetici; applicazione
alle strutture vulcaniche del Vesuvio e dei Campi Flegrei e alla definizione delle strutture
crostali a larga scala dell’Italia e dell’isola caraibica di Hispaniola (Haiti-S.Domingo).
Sviluppo del laboratorio di misura delle proprietà fisiche delle rocce: acquisizione
della strumentazione e prove sperimentali per lo studio delle proprietà elastiche; sviluppo
di sensori non invasivi per geoelettrica e polarizzazione spontanea e indotta.
Geofisica applicata ai Beni Culturali: ulteriore sviluppo e messa a punto del
progetto IGAPS (Integrated Geophysical Acquisition & Processing System); campagne di
misura nei parchi archeologici di Cuma e Pompei e nel Complesso Monumentale di San
Giovanni a Carbonara (NA).
Programma 2001
Applicazione di metodi elettromagnetici alla vulcanologia: installazione di stazioni
fisse di monitoraggio di segnali elettrici naturali al Vesuvio e ai Campi Flegrei; campagne
di misura di potenziale spontaneo, magnetotelluriche e magnetovariazionali a mare nei
campi Flegrei; campagna geofisica multimedologica all'isola di Vulcano.
Tomografia 3D: formulazione di una procedura tomografica integrata 3D
elettromagnetica, gravimetrica, magnetica e di deformazione del suolo.
Geofisica applicata ai Beni Culturali: sviluppo di una metodologia d’acquisizione
di segnali georadar nell’ambito del progetto IGAPS; continuazione delle campagne di
misura nei parchi archeologici di Cuma e Pompei; applicazioni micro-geofisiche per lo
studio dello stato di conservazione del Complesso Monumentale di San Giovanni a
Carbonara in Napoli; misure geofisiche e termografiche di laboratorio per la valutazione a
micro-scala dello stato di conservazione di manufatti edilizi.
Applicazione di metodi elettrici ed elettromagnetici allo studio di suoli simil-Marte:
l'obiettivo di questa ricerca, finanziata dall'Agenzia Spaziale Italiana (ASI) nell'ambito del
Mars Surveyor Program (2003-2005) Lander Mission (NASA), è quello di fornire,
attraverso misure elettriche a bassa ed alta frequenza, una parametrizzazione elettrica della
parte più superficiale del suolo marziano (fino a una profondità di 50 cm), allo scopo di
evidenziare l'eventuale presenza di acqua liquida o ghiaccio, nonché l'ipotizzata presenza
di anidride carbonica allo stato solido, nell'area di atterraggio del Lander. A tal fine si
procederà alla definizione completa di metodologie elettriche ed elettromagnetiche, dalla
scelta dei sensori e degli strumenti di misura, all’acquisizione, elaborazione e
interpretazione dei dati, opportunamente testate in laboratorio su un simulatore
riproducente un ambiente marziano.
Electromagnetic methods applied to volcanology: study of natural electrical
phenomena, precursors of volcanic activity, and application to Vesuvius and Phlegrean
Fields; development of high-resolution measurement methods and techniques of selfpotential, magnetotelluric and magnetovariational signals offshore.
-71-
3D Tomography: improvement of 3D tomographic inversion methods of selfpotential, geoelectric, magnetotelluric, gravimetric and magnetic data; application to the
volcanic structures of Vesuvius and Phlegraean Fields and to the definition of the regional
crustal structures of Italy and Hispaniola (Caribbean island).
Development of the laboratory of rock physical properties: acquisition of
equipments and first experiments of elastic properties; development of non-invasive
sensors for geoelectric, self potential and induced polarisation signals.
Geophysics applied to Cultural Heritage: continuation of the IGAPS project
(Integrated Geophysical Acquisition & Processing System); field survey in the
archaeological parks of Cuma and Pompei and in the Monumental Complex of San
Giovanni a Carbonara (Naples).
2001 Program
Electromagnetic methods applied to volcanology: installation of permanent stations
of monitoring of natural electrical signals at Vesuvius and Phlegrean Fields; self-potential,
magnetotelluric and magnetovariational offshore surveys in the Phlegrean Fields caldera;
multimetodological geophysical prospecting at the Vulcano island (Sicily).
3D Tomography: formulation of the integrated 3D electromagnetic gravimetric,
magnetic and ground deformation tomography.
Geophysics applied to Cultural Heritage: development of an acquisition
methodology of georadar signals in the frame of the IGAPS project; continuation of field
surveys in the archaeological parks of Cuma and Pompei; application of micro-geophysical
techniques to the study of the conservation state of the monumental complex of San
Giovanni a Carbonara in Naples; geophysical and thermographical laboratory
measurements for the micro-scale evaluation of the conservation state of historical
buildings.
Electric and electromagnetic methods applied to the study of Mars-like materials:
the objective of this research, supported by the Italian Spatial Agency (ASI) in the frame of
the Mars Surveyor Program (2003-2005) Lander Mission (NASA), is to measure the
electromagnetic parameters of the shallow soil environment on Mars (up to a depth of 50
cm) and, consequently, to determine the presence of H2 O liquid, H2 O ice or CO2 ice at the
landing site. At this end, it will give a complete definition of electric and electromagnetic
methods, from probes and instrumentation selection to data acquisition, processing and
interpretation, opportunely tested on a simulated Martian soil.
Pubblicazioni
1) F.Cammarano, B.Di Fiore, D.Patella and P.Mauriello, 2000: Examples of application of electrical
tomographies and radar profiling to Cultural Heritage. Annali di Geofisica, vol.43, n.2, 309-324.
2) P.Mauriello, D.Patella, Z.Petrillo and A.Siniscalchi, 2000: An integrated magnetotelluric study of the
Mt.Etna volcanic structure. Annali di Geofisica, vol.43, n.2, 325-342.
3) P.Mauriello and D.Patella, 2000: A physical pattern recognition approach for 2D electromagnetic
induction studies. Annali di Geofisica, Vol.43, n.2, 343-360.
4) V.Lapenna, D.Patella and S.Piscitelli, 2000: Tomographic analysis of self-potential data in a seismic area
of southern Italy, Annali di Geofisica, vol.43, n.2, .361-374.
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5) R.Di Maio, D.Patella, Z.Petrillo, A.Siniscalchi, G.Cecere and P.De Martino, 2000: Application of electric
and electromagnetic methods to the study of the Phlegrean Fields caldera, Annali di Geofisica, vol.43, n.2,
375-390.
6) V.Cuomo, V.Lapenna, M.Macchiato, I.Marson, G.Paparo, D.Patella and S.Piscitelli, 2000: Geoelectrical
and seismoacoustic anomalous signals jointly recorded close to an active fault system in Southern Apennines
(Italy). Physics and Chemistry of the Earth, Vol.25, n.3, 255-261.
7) Del Negro C., Di Maio R., Ferrucci F. and Spadafora E., 2000: Magnetic and self-potential survey to study
a deep-seated gravitational deformation: the sackung of Lago (northern Calabria). Environmental monitoring
and assessment (submitted).
Comunicazioni e posters a congressi
1) Andriani T., Iuliano T., Siniscalchi A. and Tramacere A., Deep structure of the umbria Apennine crust
from MT at Gravity data - Evoluzione geologica e geodinamica dell’Appennino, Foligno, Italia 16-18
febbraio 2000.
2) Iuliano T., Mauriello P. and Patella D.: 3D probability tomography of ground deformation data. Extended
abstract; 62-th EAGE Conference & Technical Exhibition, Glasgow, 29 May-2 June 2000.
3) Vanorio T., Prasad M., Patella D. and Nur A.: Elastic Properties of Volcanic Rocks, SRB Annual Meeting
and Internal Report, Stanford, June 14-16, 2000.
4) Mauriello P. and Patella D.: 3D magnetic tomography in the near-surface geophysics. Extended abstract;
VI Meeting of the Environmental and Engineering Geophysical Society, Bochum, 4-6 September 2000.
5) Mauriello P. and Patella D., Principles of integrated probability tomography for electric and/or magnetic
fields, VIII International Workshop on Geo-Electromagnetism, Maratea, 12-14 ottobre 2000.
6) Iuliano T., Mauriello P. and Patella D., Probability tomography and advanced visual system: a new tool
for volcanic imaging, VIII International Workshop on Geo-Electromagnetism, Maratea, 12-14 ottobre 2000.
7) Talia C., Mauriello P. and Patella D., Waste disposal characterization by geoelectric tomography, VIII
International Workshop on Geo-Electromagnetism, Maratea, 12-14 ottobre 2000.
8) Petrillo Z., Mauriello P. and Patella D., Optimization of MT surveying in volcanic areas, VIII
International Workshop on Geo-Electromagnetism, Maratea, 12-14 ottobre 2000.
9) Di Fiore B., Mauriello P., Monna D. and Patella D., 3D geoelectric tomography and applications to
archaeology and historical buildings, VIII International Workshop on Geo-Electromagnetism, Maratea, 12-14
ottobre 2000.
10) Patella D., Electric and electromagnetic tomographies in volcanic areas, V China International Workshop
on Geoelectromagnetism, Beijing, 4-8 novembre 2000.
11) Vanorio T., Prasad M., Patella D. and Nur A.: Estimate of Stress-Induced Pore Pressure and Related
Ground Deformation in the Campi Flegrei Volcanic Area (Southern Italy) Based on Rock Physics
Measurements, AGU Fall Meeting, San Francisco, December 15-19, 2000.
SISMOLOGIA
E. Auger*, L. Bernard*, A. Bobbio*, M.T. Bonagura*, 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*,
D. Latorre*, S. Nielsen*, G. Russo, M. Simini*, A. Zollo
-73-
Attività 2000
Tomografia sismica dei Campi Flegrei. Il progetto, iniziato quest’anno, ha come
obiettivo la determinazione della struttura interna della caldera flegrea utilizzando le
registrazioni delle onde sismiche emesse durante l’ultima crisi bradisismica integrate con i
dati che saranno ottenuti con una campagna di sismica attiva (progetto SERAPIS) in
collaborazione con la società francese IFREMER che effettuerà una serie di scoppi in mare
dalla nave oceanografica Nadir. Il progetto include 8 unità operative (6 italiane e una
francesa) con A. Zollo coordinatore generale e responsabile dell’unità operativa DSF1 di
Napoli, ed è stato approvatao e finanziato, unitamente al progetto SERAPIS, dal GNV.
Attualmente è in fase di creazione il data base sismico che verrà utilizzato per le
successive elaborazioni. In tale data base verranno raccolte anche informazioni di natura
diversa (misure di proprietà fisiche delle rocce, misure di temperatura ecc.) in modo da
consentire un approccio integrato tra metodologie differenti allo studio della caldera
flegrea. Si stanno inoltre mettendo a punto i dettagli organizzativi della campagna
SERAPIS, prevista per il mese di settembre.
Tomografia sismica del Vesuvio. Il progetto TomoVes, iniziato nel 1994, è nella
fase di stesura dei rapporti finali. È stato elaborato un modello di riferimento
tridimensionale della struttura del Vesuvio fino ad una profondità di 3-4 km ed è stata
confermata la presenza di una zona di bassa velocità di propagazione delle onde sismiche a
circa 8 km di profondità, interpretabile con la presenza di un serbatoio magmatico. Sono
state inoltre evidenziate fasi riflesse alla Moho che hanno consentito una sua
caratterizzazione. E’ in fase di ultimazione un CD-ROM contenente tutti i contributi delle
unità di ricerca del Progetto.
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 CIPE-MURST. 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, ispiratosi ad un’esperienza analoga promossa dall’Università di Princeton
(Progetto PEPP), 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.
-74-
Nel 2000 sono state installate nuove stazioni sismiche: presso il liceo “Copernico” di
Napoli, il liceo “E. Majorana” di Isernia e in un sito nella zona di Torre del Greco. È
inoltre continuata l’acquisizione dei dati e la loro archiviazione e distribuzione. Si è
costruito un prototipo di sito 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.). Il sito contiene anche una sezione
didattica di esperienze guidate che si basano sull’utilizzo dei sismogrammi registrati. In
collaborazione con la fondazione IDIS è iniziato 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".
Altre Attività. Paolo Gasparini è Direttore del Gruppo Nazionale di Vulcanologia
dell’INGV e coordina le attività di ricerca del Programma Quadro triennale INGVProtezione Civile sui vulcani italiani. I compiti di segreteria scientifica sono svolti da
Antonella Bobbio, contrattista dell’INGV.
Paolo Gasparini è stato nominato referente dell’Ateneo presso la Regione Campania per il
centro di competenza su Analisi e Monitoraggio del Rischio Ambientale che la Regione
intende istituire nell’ambito del programma Agenda 2000.
Programma 2001
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. Sarà
completato un CD-ROM che contiene i contributi di tutte le Unità di Ricerca partecipanti
al progetto finanziato dalla CE "TomoVes".
Seismic tomography of Campi Flegrei. This project started this year. It aims at
delineating the inner structure of the Flegrei caldera, using high quality digital earthquake
recordings carried out in 1984 during the last strong uplifting event.
A part of these data have been also used for determining body waves attenuation at
different depth in the caldera, which has allowed to get a detailed picture of the thermal
structure of the caldera.
A seismic campaign is planned next september. It will be carried out in cooperation with
Italian and French institutions. Data acquisition is scheduled for September and consists of
on-land and off-shore recording of powerful air-gun profiles shot by the French IFREMER
ship NADIR in the Bay of Napoli and Pozzuoli. The project has been approved and
financially supported by GNV. It is coordinated by A. Zollo, who is also the coordinator of
one of the Working Units of Naples. At present the activity is mainly devoted to the
creation of the seismic data base that will be utilized for the future studies. The data base
will include also different information (physical property of rocks, measured temperatures
etc.) that will be helpful for an integrated study of the caldera.
Seismic tomography of Mt.Vesuvius. TomoVes project has come to the end. The
final reports are being prepared. A 3D reference model of the Mt. Vesuvius structure down
to a depth of 3-4 km was built and applied to improve local earthquakes location. The
occurrence of a low velocity zone at 8-10 km of depth was confirmed. It can be interpreted
-75-
as a melting zone. Reflection from Moho discontinuity has been and Moho itself has been
characterized.
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 UmbriaMarche Apennines to define the dynamics of fracture processes;
-Crustal models and seismic sources in the area of Benevento.
EDUSEIS project. This project, carried out jointly with “Città della Scienza”, is
based on the experience of the PEPP project of the University of Princeton. 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 financially supported by GNGTS. During 2000 three new stations
have been added to EDUSEIS network. Data acquisition and archive has continued. A
prototype WEB site was issued, where seismograms recorded at our station can be
retrieved and some simple operations can be done (zoom, phase identification, arrival time
measurement, filtering etc.). Also, upgrading classes for teachers have been organized.
History of the University. A history of University “Federico II” of Naples is under
way.
2001 Program
The activity will continue on the same research themes.
Pubblicazioni
1) Bobbio A. and Zollo A., 2000. The educational broadband seismic network at Naples (Southern Italy),
ORFEUS Newsletter, vol.1, n.2, 2-3.
2) Capuano P., Zollo A., Emolo A., Marcucci S. and Milana G., 2000. Rupture mechanism and source
parameters of Umbria-Marche mainshocks from strong motion data, Journal of Seismology, 4, 463-478.
3) de Lorenzo S., Gasparini P., Mongelli F. and Zollo A., in press. Thermal state of Campi Flegrei caldera
inferred from seismic attenuation tomography, Journal of Geodynamics.
4) Dell’Aversana P, Ceragnoli E., Morandi S. and Zollo A., 2000. A simmultaneous acquisition test of high
density “global offset” seismic in complex geological settings, First Break, 18.3, 87-96.
5) de Lorenzo S., Zollo A. and Mongelli F., in press. 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.
-76-
6) De Matteis R., Latorre D., Zollo A., and Virieux J., 2000. 1-D P-velocity models of Mt. Vesuvius volcano
from the inversion of TomoVes96 first arrival time data, Pure Applied Geophysics, 157, 1643-1661.
7) Emolo A. and Zollo A., submitted. Accelerometric radiation simulation for the September 26, 1997
Umbria-Marche (Central Italy) mainshocks, Annali di Geofisica.
8) Improta L., G. Iannaccone, P. Capuano, A. Zollo A and Scandone P., 2000. Inferences on tht upper crustal
structure of Southern Appennines (Italy) from seismic refraction investigation and subsurface data,
Tectonophysics, 317, 273-298.
9) 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.
10) La Rocca M., Del Pezzo E., Simini M., Scarpa R. and De Luca G., submitted. Array analysis of
seimograms from explosive sources: evidence for surface waves scattered at the main topographical
features, Geophysical Journal International.
11) Lomax A, Zollo A., Capuano P., and Virieux J., in press. Precise, absolute earthquake location under
Somma-Vesuvius volcano using a new 3D model, Geophysical Journal International.
12) Zollo A. and de Lorenzo S., in press. Source parameters and 3-D attenuation structure from the
inversion of microearthquake pulse width data: Method, Journal of Geophysical Research.
13) Zollo A., D'Auria L., De Matteis R., Herrero A., Virieux J. and Gasparini P., in press. The shallow
structure of Mt. Vesuvius (southern Italy) from non linear inversion of first arrival times, Geophysical
Journal International.
14) Zollo A., De Matteis R., D'Auria L., and Virieux J., in press. A 2-D non linear method for travel time
tomography: Application to Mt.Vesuvius active seismic data, in Geophysics in the next millennium, E.
Boschi, G. Ekstroem and A. Morelli eds, ING, 125-140.
15) Zollo A., Marzocchi W., Capuano P., Lomax A., and Iannaccone G., submitted. Space and time
behaviour of seismic activity of Mt. Vesuvius volcano (Southern Italy), Bulletin of the Seismological Society
of America.
Rapporti Scientifici
1) Gasparini P., Capuano P., Virieux J., and Zollo A., 2000 in press. Internal structure of Mt. Vesuvius
through 3D high resolution seismic tomography, EEC Project ENV 4-980698, EC Division XII, Bruxelles.
Libri
1) Gasparini P., 2000. La Terra inquieta, Franco di Mauro editore, Napoli.
Tesi di dottorato
1) Auger E., Imagerie sismique du Vesuve, relatori A. Zollo e J. Virieux, Università di Nizza SophiaAntipolis.
European Geophysical Society’s XXV General Assembly, Nice, France
-77-
1) Zollo A., Gasparini P., Herrero A., De Matteis R., D’Auria L., Avallone A., Latorre D., Russo G., Virieux
J. and TomoVes group, 2000. TomoVes Project: inferences on the 3D shallow structure of Mt. Vesuvius area
by travel time tomography.
American Geophysical Union Fall meeting 2000, San Francisco, USA
1) Auger E., Zollo A., Virieux J. and Gasparini P., 2000. New seismic evidence for a mid-crustal high-to-low
velocity discontinuity underneath Mt. Vesuvius volcano (Southern Italy).
2) Bernard M.L. and Zamora M., 2000. Mechanical properties of volcanic rocks and their relations to
transport properties.
3) Gasparini P., 2000. Seismic investigation of Mt. Vesuvius volcano: an overview of TomoVes project.
4) Herrero A., Zollo A., Improta L., Dell’Aversana P. and Morandi S., 2000. 2D non linear traveltime
tomography by multiscale search: imaging an overthrust structure in the Southern Apennines (Italy).
5) Improta L., Frattini M., Zollo A., Virieux J., Herrero A. and Dell’Aversana P., 2000. Mapping reflectors
in an overthrust-belt region by non-linear inversion of global offset seismic data.
6) Zollo A., D’Auria L., De Matteis R., Herrero A., Latorre D., Simini M., Virieux J. and Gasparini P., 2000.
Seismic imaging of Mt. Vesuvius (Southern Italy). The shallow structure and morphology of the limeston
basement.
Invited Lectures
1) Gasparini P., 2000. The Neapolitan volcanoes, Università di Utrecht and Delft Space center.
2) Gasparini P., 2000. Crustal thermal state and magama generation in continental Italian volcanoes,
Geoforschungzentrum Potsdam.
3) Gasparini P., 2000. The GNV 2000-2002 Project for the study of italian volcanoes.Assemblea annuale del
Gruppo Nazionale di Vulcanologia, Istituto nazionale di Geofisica.
4) Zollo A., Emolo A., and Nielsen S., 2000. Modellazione della radiazione sismica accelerometrica e
applicazione a problematiche di rischio, LXXXVI assemblea anuuale della SIF.
STORIA DELLA FISICA
STUDI STORICI SULLA STRUMENTAZIONE ANTICA E DELLA
TRADIZIONE SCIENTIFICA LOCALE
Borrelli*, P. Brenni*, E. Schettino, R. Spadaccini*, M. Torrini
Attività 2000
La ricerca di Storia della Fisica è vista in relazione ad una ricostruzione delle tradizioni
scientifiche locali per correlare gli sviluppi della fisica italiana con quelli ben noti della
comunità scientifica internazionale.
L’obiettivo è di ricostruire in ambito interdisciplinare la diffusione delle scienze e del loro
insegnamento a Napoli dalla seconda metà del Settecento e fino agli anni '20 del
Novecento. Le motivazioni di un tale studio derivano dalla convinzione che sulla scienza
meridionale è carente lo studio delle singole discipline.
-78-
La ricerca ha prodotto i seguenti risultati: Gli insegnamenti scientifici nella prima metà
dell'800, che erano raggruppati in una sola Facoltà di scienze matematiche e fisiche, si
svolgevano nello Stabilimento scientifico. Tra gli stabilimenti scientifici figura il
Gabinetto di fisica, fondato nel 1811. Fino al 1850 insegnarono fisica sperimentale
Gennaro de Conciliis, Giovanni Gambale e Mario Giardini. La loro attività di ricerca e
d’insegnamento è stata analizzata attraverso gli strumenti utilizzati nella pratica del
laboratorio, di cui alcuni sono tuttora conservati nel Museo di Fisica.
I documenti consultati testimoniano che la strumentazione del Gabinetto di fisica si formò
più che per reali interessi del direttore, soprattutto come aggregazione di collezioni già
esistenti. Questa caratteristica fu comune a tutti i fisici che si susseguirono alla sua
direzione durante la prima metà dell'800. Inoltre Lo stato della ricerca fu molto carente;
erano assenti i grandi temi su cui in altre sedi si discuteva, come la conservazione
dell’energia, la teoria dinamica dl calore, e prima ancora le iniziali formalizzazione della
elettrostatica. Carente fu anche l'insegnamento della fisica sperimentale fino alla
formazione dello stato unitario.
Programma 2001
E' 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 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 sarà effettuata attraverso un
raffronto su quanto si studiava in altri paesi d’Oltralpe e d’oltremanica. La ricerca prevede
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 saranno
analizzate le attività scientifiche di Govi, Villari, Cantone e Carrelli.
The research of the history of Physics is seen in relation to a reconstruction of local
scientific tradition correlating the development of Italian physics with those well noted in
the international scientific community.
The objective is the reconstruction, in an interdisciplinary environment, of the diffusion of
science and its teachings in Naples from the second half of the 1700’s until the 1820’s.
The motivation for such a study comes from the belief that in southern Italy, at that time,
science lacked the study of individual disciplines.
The research has produced the following results. During the first half of the 1800’s, the
scientific disciplines were grouped under a single faculty of mathematical science and
physics which was part of the scientific department. Among the scientific departments
there was the Department of Physics founded in 1811, where Gennaro de Concilius,
Giovanni Gambale and Mario Gardini taught experimental physics until 1850. Their
research activities and teachings have been analyzed through the tools used in the
laboratory, some of which are still conserved in the Physics Museum.
The consulted documents testify that the formation of the Physics Department was due
more to the personal interest of the director, and was, above all, more like a composite of
-79-
already existing collections. This characteristic was common to all the physicists who
succeded in the directorship during the first half of the 1800’s. In addition, the state of
research was quite insufficient.
Absent were the major topics discussed at other
institutions such as energy conservation, the dynamic theory of heat and foremost, the
initial formalizations of electrostatics.
And until the Italian unification, instruction in
experimental physics was also lacking.
2001 Program
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 is 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 will be done by means
of a comparison on how much was studied in other European countries and in England.
Also envisioned is 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 will be analyzed.
Pubblicazioni
1) E. Schettino, Franklinists in Naples in the Second Half of the 18th Century, Proceedings of Volta and the
History of Electricity, Atti XX Congresso Nazionale di Storia della fisica e della Astronomia, Cuen editore,
Napoli, 2000, pp. 110-120.
2) E. Schettino, La Fisica in La Cultura scientifica a Napoli 1860-1915, Paparo editore, Napoli, 2000, pp.
200-220.
1) F. Bevacqua, E. Schettino, le Collezioni di Strumenti di Fisica in Rete, lo stato dell’arte, Congresso della
Ass. Naz. Musei Scientifici, Roma 6-8 novembre 2000.
-80-
FISICA DEI NUCLEI
E
DELLE RADIAZIONI
(Responsabile Prof. R. Moro)
-81-
-82-
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 2000
a. Studio della struttura nucleare a partire dall’interazione nucleone-nucleone.
Un problema fondamentale nella teoria della Struttura Nucleare è quello di descrivere le
proprietà dei nuclei complessi a partire dall’interazione nucleone-nucleone (NN).
Nell’ultimo anno si è proseguito lo studio di questo problema nell’ambito di un
programma di ricerca avente come obiettivo principale quello di chiarire se le interazioni
efficaci derivate dal potenziale NN (interazioni efficaci “realistiche”) consentano di
riprodurre in modo sufficientemente accurato le proprietà della struttura nucleare. A tale
scopo sono stati effettuati nuovi calcoli di modello a shell facendo uso di interazioni
efficaci derivate da moderni potenziali nucleone-nucleone, in particolare il potenziale di
Bonn. Si è così arrivati complessivamente ad aver studiato circa venti nuclei in diverse
regioni di massa, cioè quelle dello 100 Sn, 132 Sn e 208 Pb. In tutti i casi considerati i risultati
ottenuti sono in ottimo accordo con i dati sperimentali disponibili, dimostrando così che è
possibile riprodurre quantitativamente le proprietà dei nuclei complessi a partire
dall’interazione NN, senza introdurre, quindi, parametri liberi nel calcolo degli elementi di
matrice a due corpi.
b. Studio della struttura di nuclei leggeri mediante un modello a shell con due frequenze
di oscillatore armonico.
Si è fatto uso di un modello a shell con due frequenze di oscillatore armonico per
descrivere le proprietà spettroscopiche di alcuni nuclei leggeri, cioè con numero di massa
A < 10. L'interazione efficace è 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”. Questo nuovo 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. Nuovo Metodo di diagonalizzazione di Hamiltoniane di modello a shell nucleare
Calcoli di modello a shell nella regione dei nuclei medio-pesanti divengono rapidamente
proibitivi all'aumentare del numero dei nucleoni di valenza a causa delle dimensioni
estremamente grandi dello spazio delle configurazioni. E' quindi di estremo interesse
elaborare metodi che consentano di individuare le componenti più importanti della
funzione d'onda e ridure in tal modo le dimensioni della base. Un metodo correntemente
usato consiste nell’usare basi correlate. Queste, infatti, accrescono la localizzazione della
funzione d'onda nello spazio di Fock, e quindi riducono il numero delle sue componenti
significative. I metodi di quest tipo sviluppati finora presentano il grave inconveniente di
generare basi ridondanti e di introdurre in tal modo contributi non fisici. Nella prospettiva
di evitare un inconveniente siffatto, abbiamo sviluppato un metodo che genera la base
correlata attraverso la partizione dello spazio di modello a shell in sottospazi ortogonali .
-83-
La base così ottenuta é pertanto ortogonale e priva di stati ridondanti. Essa si é anche
rivelata estremamente efficace nell'aumentare la localizzazione della funzione d'onda sia
in sistemi di particelle identiche che in sistemi composti da neutroni e protoni di valenza.
d. Moti collettivi nei nuclei deformati.
Si é fatta una rassegna completa dei moti collettivi nei nuclei deformati. Essa comprende i
modi di eccitazione noti da tempo, di cui mette a fuoco gli aspetti nuovi o non risolti ma è
soprattutto concentrata su quello scoperto recentemente, lo scissors mode. Di questo si è
anche sottolineata la rilevanza in altri settori della fisica, quali i cluster metallici, i quantum
dots e, in particolar modo, i condensati di Bose, dove il modo è stato osservato
sperimentalmente.
e. Scissors mode nei nuclei sferici
In un calcolo microscopico abbiamo mostrato che lo scissors mode, pur essendo
strettamente correlato con la deformazione, si può generare anche nei nuclei sferici
mediante eccitazione di stati eccitati colletivi quadrupolari anziché di quello fondamentale.
Le eccitazioni così ottenute formano un multipletto di stati scissors e corrispondono
esattamente ai livelli scoperti di recente in alcuni nuclei medio-pesanti ed interpretati come
stati di simmetria mista rispetto allo scambio di neutroni e protoni nell’ambito del modello
a bosoni interagenti (IBM).
f. Transizioni di spin nei nuclei deformati.
Le eccitazioni di spin scoperte nei nuclei deformati sulla scia delle analisi fatte per lo
scissors mode sono state oggetto di un’analisi microscopica. Lo studio ha contribuito a
chiarire alcune sottili proprietà di questi spettri e suggerito la necessità di analisi più
approfondite basate su calcoli microscopici da effettuare in spazi più estesi.
g. Eccitazioni di quadrupolo magnetico e twist mode
Abbiamo studiato in un ambito microscopico la risposta di quadrupolo magnetico nei
nuclei pesanti con particolare riguardo al modo di eccitazione orbitale noto come twist
mode, la cui osservazione dipende in maniera cruciale dalla possibilità di separare le
transizioni orbitali da quelle dipolari di spin. Si è mostrato che questa separazione può
avvenire per le interazioni di spin-dipolo normalmente adottate. Si è inoltre mostrato che
nei nuclei deformati questo modo di eccitazione si spezza in tre modi in analogia con la
risonanza gigante di dipolo elettrico.
Programma 2001
a. Si intende sviluppare una linea di ricerca riguardante l'introduzione di un nuovo metodo
di derivazione dell'interazione efficace dal potenziale NN. Per superare la difficoltà
derivante dalla presenza di un "core" fortemente repulsivo in tutti i moderni potenziali NN,
si è fatto finora uso della matrice G di Brueckner, il cui calcolo, tuttavia, presenta diversi
elementi di complessità. Il nuovo metodo di cui faremo uso, si fonda, invece, sulla
costruzione di un potenziale efficace NN mediante un "cutoff" nello spazio dei momenti.
Tale potenziale può essere usato direttamente nei calcoli di modello a shell con notevoli
vantaggi rispetto all'uso della matrice G. I risultati di uno studio preliminare sono molto
-84-
incoraggianti, in quanto indicano che la nuova teoria conduce a risultati anche migliori di
quelli relativi all'uso della matrice G.
b. Stiamo sviluppando un algoritmo iterativo che riconduce la diagonalizzazione di matrici
di dimensioni molto grandi a una sequenza di successive diagonalizzazioni di matrici di
dimensioni piccole. Abbiamo dimostrato che il metodo iterativo converge. Stiamo
studiando ora le sue potenzialità e la sua competitività rispetto agli altri metodi in uso
(Lanczos, Davidson,…).
c. Intendiamo continuare il nostro studio dello scissors mode e, più in generale, degli stati
a simmetria mista nei nuclei sferici. E’ nostra intenzione fare una sistematica per poter
verificare se gli spetrri dei vari nuclei sferici possonon essere inquadrati in un unico
schema interpretativo.
d. Pensiamo di utilizzare un modello microscopico multifononico per cercare di riprodurre
lo spettro di eccitazioni di spin nei nuclei deformati e stabilirne la natura esatta. .
e. Intendiamo usare un metodo di “strength function” per studiare possibili interference tra
diversi modi di eccitazione nei nuclei deformati.
a. A fundamental goal in nuclear structure theory is to describe the properties of complex
nuclei in terms of the nucleon-nucleon (NN) interaction. Over the past few years we have
tackled this problem trying to give a clear-cut answer to the basic question of how accurate
a description of nuclear structure phenomena can be given by an effective interaction
derived from the NN potential. To this end, we have performed shell-model calculations
making use of effective interactions derived from modern NN potentials, in particular the
Bonn potential. We have studied in all some 20 nuclei in different mass regions, namely
the 100 Sn, 132 Sn, and 208 Pb regions. A very good agreement between experiment and theory
has been obtained for all the nuclei considered showing the ability of realistic effective
interactions to provide a quantitative description of nuclear structure properties.
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. Shellmodel wave functions of two different oscillator constants ?? in and ?? out 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.
c. It becomes soon prohibitive to perform shell model calculations in medium-heavy nuclei
as the number of nucleons increases because of the extremely large dimensions of the
model space. It is therefore of great interest to develop methods which allow to truncate
the space through an appropriate selection of the configurations. A method currently in use
consists in using a correlated basis, which reduces the number of meaningful components
through a localization of the wave function in the Fock space. The redundancy of the basis
-85-
is the price one has to pay in adopting these methods. In the perspective of avoiding this
inconvenience, 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.
d. We have carried out a review of the collective modes of excitation in heavy deformed
nuclei focusing our attention to the newly discovered scissors mode. We stressed its
relevance to other branches of physics, like metal clusters, quantum dots and, specially,
Bose condensates, where the mode was observed experimentally .
e. We have shown through a microscopic 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).
f. 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.
g. We have studied in a microscopic approach the magnetic quadrupole response in heavy
nuclei, with special attention at the orbital excitations known as twist mode, whose
experimental observation relies critically on the possibility of separating the orbital from
the spin-dipole excitations. We have shown that this may be the case for the spin-dipole
interactions currently adopted. We have also shown that, in deformed nuclei, the orbital
mode splits into three branches in analogy to the electric dipole giant resonance.
2001 Program
a. We are starting a line of research concerning a new method for deriving the shell-model
effective interaction from the bare NN potential. In this approach, using a rigorous modelspace reduction method, a low momentum NN potential Vlow-k is derived from a modern
realistic NN potential. This Vlow-k is confined within an appropriate momentum-space
cutoff and appears to be suitable to be used directly in shell-model calculations, without
first calculating the Brueckner G-matrix. Preliminary calculations indicate that this method
leads to results even better than those obtained by the usual G-matrix approach.
b. We are developing 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 now testing if it is competitive with
respect to other methods currently in use (Lanczos, Davidson,…).
c. We intend to pursue on the study of the scissors mode and more generally mixed
symmetry states in spherical nuclei. We plan to make a systematic study in order to see if
-86-
and to what extent it is possible to draw a common picture of these excitations for all
nuclei .
d. We plan to adopt a microscopic multiphonon approach to try to reproduce the strong
fragmentation of the spin magnetic dipole strength observed in deformed nuclei and to
clarify the nature of these excitations.
e. We intend to use a strength function method to study the interference between different
modes in deformed nuclei.
Pubblicazioni 2000
1)
L. Coraggio, A. Covello, A. Gargano, N. Itaco, and T. T. S. Kuo, Realistic shell-model calculations for
proton-rich N=50 isotones, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 26, (2000) 1697.
2)
A. Covello, Present status of realistic shell-model calculations, Invited talk at the XXXV Zakopane
School of Physics, Trends in Nuclear Physics, September 5-13, 2000, Zakopane (Polonia).
3)
N. Lo Iudice, A.V. Sushkov and N. Yu. Shirikova, Scissors-Like and Spin Excitations in Heavy
Deformed in Quasiparticle and Phonon Excitations in Nuclei, Edtors N. Dihn Dang and A. Arima
(World Scientific 2000) p. 167.
4)
N. Lo Iudice, Interplay between Orbital and Spin Motion in M1 Transitions in Deformed nuclei, in
BgNS (Bulgarian Nuclear Society) Transactions, Vol. 5 (2000) 79.
5)
N. Lo Iudice, Collective excitations in deformed nuclei, La Rivista del Nuovo Cimento, Vol. 23 1
(2000).
6)
N. Lo Iudice and Ch. Stoyanov, Microscopic description of newly discovered mixed symmetry states,
Phys. Rev. C 62, (2000) 047302.
7)
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, Int. Conf. on “Nuclear Structure and related Topics”, Dubna,
June 6-10, 2000.
8)
N. Lo Iudice, Interplay between orbital and spin excitations in heavy nuclei, Int. Conf. on “Nuclear
Structure and related Topics”, Dubna, June 6-10, 2000.
-87-
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 2000
Le tematiche in studio vengono affrontate producendo i nuclei composti in collisioni tra
ioni pesanti e osservando la diseccitazione tramite emissione di particelle, raggi γ o
fissione. L’attività si articola su esperimenti effettuati presso i laboratori Nazionali di
Legnaro e il laboratorio IReS di Strasburgo con sistemi di rivelazione a grande angolo
solido ed alta granularità quali: EUROBALL, DIAMANTE e 8πLP.
L’attività nel 2000 ha riguardato le seguenti linee di ricerca:
a) la dinamica del processo di fissione
b) il break- up coulombiano ad energie prossime alla barriera coulombiana
c) le barriere di emissione di particelle α
a) Per lo studio della dinamica della fissione sono stati eseguiti 2 esperimenti presso i
Laboratori Nazionali di Legnaro. Sono stati misurati i neutroni e i frammenti di fissione
prodotti nella reazione 80 Se + 208 Pb, a 455 MeV di energia incidente, al fine di determinare
la molteplicità di neutroni di pre- e post-fissione e ricavare i tempi di fissione. Scopo
dell’esperimento è anche quello di ricercare segni della formazione di nuclei composti
superpesanti. Nel secondo esperimento riguardante la reazione 19 F + 209 Bi è stato misurato
l’angolo di correlazione fra i frammenti, osservati con rivelatori a piccolo angolo solido, e
le particelle α in coincidenza rivelate nel muro di telescopi dell’apparato 8πLP. Questo
esperimento dovrebbe chiarire se meccanismi di trasferimento incompleto di impulso sono
i responsabili del comportamento anomalo della distribuzione angolare dei frammenti di
fissione.
Inoltre nel 2000 è continuata l’analisi delle misure effettuate nel ’99. Per l’esperimento 32 S
+ 100 Mo ad energia incidente di 240 MeV, dall’analisi delle coincidenze particelle α frammenti di fissione, misurate con il rivelatore 8πLP, si è ottenuta la molteplicità delle
particelle α ed una stima del tempo di fissione che risulta comparabile con i tempi di
emissione delle particelle evaporate. Dall’analisi dell’esperimento 28 Si + 232 Th a 340 MeV
di energia incidente si è determinata la molteplicità dei neutroni di pre- e post-fissione e
quindi si è ricavata una stima del tempo di fissione per il sistema composto pari a 2 x 10-21
s che è in accordo con la sistematica in questa regione di masse. Si è inoltre ottenuto che la
resa di frammenti di fissione in coincidenza con gli eiettili mostra una drastica riduzione
per i trasferimenti più massivi. Il completamento dell’analisi potrà chiarire se questo
effetto possa essere attribuito a processi di break-up del proiettile.
b) Il rivelatore 8πLP è stato utilizzato per una misura precisa ed accurata della sezione
d’urto di break-up del proiettile 6 Li tramite la misura delle coincidenze particella alfa –
deutone ad energie incidenti tra 20 e 35 MeV. Una analisi preliminare dei dati ha
evidenziato che la sezione d’urto inclusiva di produzione di particelle alfa risulta di un
fattore tre più grande rispetto quella prevista teoricamente.
-88-
c) Lo studio delle barriere di emissione è rilevante ai fini della verifica del modello
statistico nella descrizione dell’emissione di particelle da nuclei altamente eccitati. A
questo scopo è stato effettuato un turno di presa dati presso l’acceleratore Vivitron di
Strasburgo per le reazioni 29,30Si + 170 Er. Utilizzando un rivelatore a 4π per γ
(EUROBALL) accoppiato ad un rivelatore a 4π per particelle (DIAMANT) sono state
eseguite misure esclusive selezionando il nucleo residuo e le particelle α che lo popolano. I
risultati preliminari dell’analisi indicano che è possibile derivare le barriere sperimentali
applicando il metodo della derivata seconda comunemente utilizzata negli studi della
fusione sotto barriera. Il confronto con la sistematica dimostra che le barriere di emissione
delle particelle α dei sistemi eccitati sono più basse di quelle osservate nelle reazioni
inverse sui nuclei allo stato fondamentale.
Programma 2001
L’attività proseguirà con lo studio sistematico della fissione in sistemi di media e alta
fissilità prodotti in reazioni di fusione completa ed incompleta. Inoltre, è in programma un
nuovo esperimento per lo studio degli effetti della temperatura sulla densità dei livelli e
sulla energia di simmetria in un intervallo di temperature nucleari tra 0 e 3 MeV. Questi
effetti potrebbero giocare un ruolo fondamentale nell’esplosione delle supernove. Poichè
l’energia di simmetria è fortemente dipendente dalla differenza tra il numero di neutroni e
di protoni nel nucleo, questo studio comporterà l’utilizzazione di fasci stabili e radioattivi.
Le misure saranno effettuate presso i Laboratori Nazionali di Legnaro ed il Laboratorio del
Ciclotrone della Texas University.
The activity is focused on the properties of the compound nuclei produced in heavy ion
collisions and their de-excitation by light particle and γ-ray emission or fission, making use
of different detection systems all characterised by large solid angle and high granularity as
EUROBALL, DIAMANT and 8πLP.
The main research topics are:
a) dynamics of the fission process
b) 6 Li coulomb break-up near the barrier energy
c) alpha emission barriers in the evaporative decay.
a) Concerning the study of fission dynamics we performed two experiments at
Laboratori Nazionali di Legnaro. In the first experiment (80 Se + 208 Pb ) we measured preand post-fission neutrons to extract fission times. In the second experiment (19 F + 209 Bi)
the correlation angle between fission fragments and the α particles have been measured, to
investigate the role of the incomplete linear momentum transfers on the fission fragment
angular distribution. In addition, analysis of experiments carried out in 1999 was
continued. In particular, for the reaction 32 S + 100 Mo the fission time extracted by the alpha
particle–fission fragment coincidences is comparable to the emission time of the
evaporated particles. Preliminary results for the reaction 28 Si + 232 Th indicate that the yield
of fission fragments in coincidence with the ejectiles is strongly reduced for massive
-89-
transfers. Further analysis can elucidate if projectile break-up is responsible for this
behaviour.
b) The 8πLP detection system has been used for an accurate measure of the 6 Li
projectile break-up cross section through the measurement of the alpha-deuteron
coincidences in the 20-35 MeV energy range. Preliminary results indicate that the alpha
cross section is 3 times larger than what expected.
c) The study of the charged particle emission barriers is relevant for probing the
statistical model when applied to hot nuclei. The reactions 29,30Si + 170 Er were studied at
the Vivitron in Strasbourg coupling a 4π gamma detector (EUROBALL) to a 4π particle
detector (DIAMANT). Exclusive measurements were carried out detecting α particles
populating specific residual nuclei. Alpha emission barriers were extracted from the first
chance spectrum. By comparison with earlier systematics it appears that the alpha particle
emission barriers of the excited systems are lower than those observed in the inverse
reactions on ground-state nuclei
2001 Program
The study of the fission dynamics will continue with experiments to be performed at the
Tandem+ALPI accelerator system of the National Laboratories of Legnaro. In addition, a
new experiment will be carried out to investigate the temperature effect on the nuclear
level density and on the simmetry energy. The measurement will be performed at the
National Laboratories of Legnaro and at the Cyclotron Laboratory of the Texas University
using stable and radioactive beams.
Pubblicazioni 2000
1)
C.M. Brown, Z. Milosevic, M. Kaplan, E. Vardaci, P. De Young, J.P. Whitfield, D. Peterson, C.
Dykstra, P.J. Karol and M.A. McMahan.“Light-charged-particle emission in the matched reactions 280
MeV 40 Ar+ 27 Al and 670 MeV 55 Mn + 12 C: coincidence results” Phys. Rev. C61 (2000) 1-11
2)
E. Vardaci, M. Kaplan, W.E. Parker, D.J. Moses, J.T. Boger, G.J. Gilfoyle, M.A. Mc Mahan,and
M.Montoya. “Search for ternary fragmentation in the reaction 856 MeV 98 Mo+ 51 V: kinematic probing
of intermediate-mass-fragment emissions” Phys. Lett. B480 (2000) 239-244
3)
E.Vardaci, G.La Rana, A.Brondi, M.A.Di Meo, R.Moro, A.Principe, D.Fabris, G.Nebbia, G.Viesti,
G.Prete.”Proton and alpha particle emission in the fission and evaporation residue channels from nuclei
with A around 140”. Proc. 4th Int. Conf. On Dynamical Aspects of Nuclear Fission. Casta-Papiernicka,
Slovak Republic 19-23 Oct. 1998. Eds. Y.T.Oganessian, J.Kliman and S.Gmuca World Scientific (2000)
p.261-272.
4)
G. La Rana, E.Vardaci, A.Brondi, M.A.Di Meo, R.Moro, C.Basile, D.Fabris, G.Nebbia, G.Viesti,
M.Cinausero, E.Fioretto, G.Prete. F.Lucarelli,and N.Gelli. “Study of the fission process in systems of
intermediate fissility” Proc. of the 9 th Int. Conf. on Nuclear Reaction Mechanisms June 5-9, 2000
Varenna, Ed. E.Gadioli, Ric. Scient. ed Educazione Permanente Supp.n.115 (2000)445-451.
5)
D.Fabris, M.Lunardon, G.Nebbia, A.Samant, G.Viesti, V.Rizzi, E.Fioretto, G.Prete, M.Cinausero,
D.Shetty, S.Pesente, A.Brondi, G.La Rana, R.Moro, E.Vardaci, A.Boiano, A.Ordine, N.Gelli,
F.Lucarelli and P.F.Bortignon.”First results from the 8πLP detection system”. Proc. of the 9 th Int. Conf.
on Nuclear Reaction Mechanisms June 5-9, 2000 Varenna, Ed. E.Gadioli, Ric. Scient. ed Educazione
Permanente Supp.n.115 (2000)453-461.
-90-
REAZIONI NUCLEARI INDOTTE DA IONI PESANTI
A. Boiano* , A. De Rosa, M. Di Pietro*, G. Inglima, M. La Commara, A. Ordine* , D. Pierroutsakou* , M.
Romoli* , M. Sandoli
Attività 2000
Nell'ambito dello studio degli effetti dell'isospin del canale di ingresso sulla eccitazione di
risonanze giganti dipolari (GDR) di preequilibrio, sono state studiate le reazioni 32 S+100 Mo
e 36 S + 96 Mo ad energie incidenti rispettivamente di 298 MeV e 320 MeV. Entrambe
queste reazioni portano alla produzione del nucleo composto 132 Ce alla stessa energia di
eccitazione. Lo spettro dei fotoni emessi è stato misurato in coincidenza sia con residui di
fusione che con frammenti prodotti in reazioni periferiche. Per queste ultime reazioni
l'analisi è ancora in corso. Nelle reazioni di fusione completa la diversa strength della GDR
determina una differenza negli spettri dei fotoni emessi in coincidenza con i residui di
fusione che può essere evidenziata mediante sottrazione diretta degli spettri sperimentali,
dopo la loro riduzione per la calibrazione dei rivelatori e per la normalizzazione della
carica incidente. Infatti il sistema composto è uguale nelle due reazioni e viene prodotto
alla stessa energia di eccitazione per cui eventuali differenze negli spettri di fotoni emessi
può essere determinata solo dal diverso canale di ingresso. In effetti i risultati sperimentali
hanno messo in evidenza una differenza fra gli spettri di fotoni centrata alla energia in cui
è attesa l'eccitazione della risonanza gigante di preequilibrio, confermando che un diverso
momento di dipolo elettrico nel canale di ingresso al tempo zero della collisione determina
una diversa strength dipolare.
Nell' ambito dello studio delle reazioni indotte da ioni esotici è stato eseguito un test di
produzione di 17 F mediante la reazione in cinematica inversa 17 O(p,n) 17 F. Il test era
finalizzato a valutare l'intensità del fascio di 17 F ottenibile utilizzando il fascio di 17 O del
tandem dei LNL. Per la separazione degli ioni di 17 F da quelli del fascio primario residuo
di 17 O è stato usato il magnete di ingresso dello spettrometro RMS dei LNL. Il fascio
secondario è stato monitorato con un rivelatore telescopico appositamente costruito nel
nostro laboratorio e posizionato all' uscita del magnete stesso. L'analisi dei dati ha
mostrato che è possibile raggiungere una corrente di 105 pps di 17 F. Tuttavia una grande
attenzione dovrà essere dedicata alla soppressione del fascio primario residuo.
Programma 2001
Lo studio del ruolo dell'isospin del canale di ingresso nella eccitazione di risonanze giganti
di preequilibrio sarà esteso ad altre reazioni misurando anche la correlazione angolare fra i
frammenti ed i fotoni allo scopo di ottenere informazioni indipendenti dal modello. Per
ridurre l'indeterminazione dovuta alle fluttuazioni di risposta del sistema di rivelazione dei
fotoni, l'apparato sperimentale sarà migliorato implementando un sistema di monitoraggio
della risposta di questi rivelatori.
Un bersaglio criogenico per la produzione di ioni 17 F sarà costruito e provato ai LNL.
-91-
The 32 S+100 Mo e 36 S + 96 Mo complete fusion reactions which populate the same 132 Ce
compound nucleus have been studied to evidence entrance channel isospin effects on the
preequilibrium dipole strength. The different time zero electric dipole moment in the two
entrance channels determines a difference in the gamma ray energy spectra measured in
coincidence with the complete fusion events in the two reactions. Such a difference can be
evidenced by direct subtraction of the experimental gamma ray spectra. The results
confirmed that the preequilibrium dipole strength is determined by the charge asymmetry
in the entrance channel of the reaction.
A test to evaluate the intensity of the 17 F beam produced through the 17 O(p,n) 17 F inverse
kinematics reaction, was also performed. The results showed that a current of 105 pps can
be a possible goal, however a great attention should be paid to the residual 17 O beam
suppression.
2001 Program
The systematic study of GDR will be continued by extending the measurements to other
reactions in order to follow the effect of the entrance channel charge asymmetry.
Furthermore, gamma ray-fragment angular correlation will be studied to obtain model
independent information on the process character.
To continue the study of exotic nuclei, a cryogenic gas target for the production of 17 F ion,
will be built and tested at the LNL. The data collected in previous tests will be used to
complete the design of 17 F beam production and transport system.
Pubblicazioni 2000
1)
C. Signorini, A. Andrighetto, M. Ruan, J.Y. Guo, L. Stroe, F. Soramel, K.E.G. Lobner, L. Muller, D.
Pierroutsakou, M. Romoli et al."Unusual near-threshold potential behaviour for the weakly bound
nucleus 9 Be in elastic scattering from 209 Bi" Phys. Rev. C (2000) 061603.
2)
M. La Commara, J. Gómez del Campo, A. D'Onofrio, A. Gadea, M. Glogowski, P. Jarillo-Herrero, N.
Belcari, V. Roca, M. Romano, F. Terrasi et al.. "Production of very neutron-deficient isotopes near 100 Sn
via reactions involving light-particle and cluster emission", Nucl. Phys. A 669 (2000) 43.
3)
U. Koester, V.N. Fedoseyev, W. Schulze, R. Borcea, M. La Commara, H. Schatz, K. Schmidt, S.
Roettger, G. Huber, The ISOLDE collaboration et al.. "Isomer separation of 70g Cu and 70mCu with a
resonance ionization laser ion source", Nucl. Inst. and Meth. B 160 (2000) 528.
4)
K. Schmidt, C. Mazzocchi, R. Borcea, J. Döring, S. Galanopoulos, M. Górska, H. Grawe, S.
Harissopoulos, M. Hellström, M. La Commara et al.“Beta decay of 93 Pd”, Eur. Phys. J. A 8 (2000) 303.
5)
D. Pierroutsakou "Recent results on Preequilibrium GDR in Heavy-ion Collisions" Int. Conf. on GR
2000 Osaka Japan, June 2000
-92-
COLLISIONI NUCLEO-NUCLEO
N. De Cesare, E. Rosato, M. Vigilante
Attività 2000
E' stato in parte completato il piano scientifico della collaborazione REVERSE con lo
124
27
58/64
197
112
58
197
studio dei sistemi
Sn + Al /
Ni / Au e
Sn + Ni / Au ad E = 35 A.MeV; le
misure ad energia inferiore e quelle con i fasci d'uranio sono state ulteriormente rinviate. E'
stata avviata la riduzione dei dati sperimentali.
E' stata completata la taratura per la terza e la quarta campagna di misure con INDRA a
GANIL (Caen, Francia) ed al GSI (Darmstadt, Germania), rispettivamente. E' proseguita
l'analisi sugli ultimi dati e sulle precedenti campagne di misura. Nel seguito sono illustrati i
principali risultati sulla transizione di fase liquido-gas nelle collisioni nucleo-nucleo, che
sono uno strumento insostituibile per lo studio della materia nucleare in condizioni estreme
di densità, temperatura, energia d'eccitazione e asimmetria. Esse, dagli urti (semi)
periferici in cui si forma una struttura dinucleare allungata, che si frantuma e fornisce
informazioni sulla viscosità della materia nucleare a temperatura finita, fino agli urti
frontali in cui il sistema esplode in numerosi frammenti, permettono di esplorare il
diagramma di fase della materia nucleare in analogia con il comportamento di un gas reale
descritto dall'equazione di stato di van der Waals. Le informazioni estratte dagli urti
centrali che danno luogo ad una sola sorgente nello stato finale si possono condensare in
tre punti:
a) la multiframmentazione è la manifestazione di una transizione di fase liquido-gas;
b)questa è accompagnata da grandi fluttuazioni ed è associata ad una capacità termica
negativa che, prevista dalla teoria, è stata osservata sperimentalmente;
c) la multiframmentazione s'innesca quando il sistema entra nella regione spinodale
(K ∞=∂p/∂ρ < 0) producendo frammenti di massa pressoché uguale.
Questi risultati, sebbene richiedano ulteriori conferme e verifiche, aprono la strada alla
fisica statistica dei sistemi finiti in cui la fisica nucleare s'intreccia ad altri domini quali la
fisica degli aggregati.
Sono state presentate tre proposte d'esperimento al PAC di GANIL, che le ha approvate,
124/136
112/124
per studiare il frazionamento dell'isospin (
Xe+
Sn a E=32-45 A.MeV), le
129
116
proprietà dei residui di fusione ( Xe+ Sn a E=12÷35 A.MeV), i fenomeni
129
116
d'intermittenza e le fluttuazioni universali ( Xe+ Sn a E=25÷35 A.MeV).
E' continuata l'attività del gruppo di studio italo-francese, “AZ-4π”, tra le collaborazioni
INDRA e CHIMERA, per la progettazione e la realizzazione di un multirivelatore di terza
generazione. Parallelamente, a livello europeo, si è formato un gruppo di lavoro per
delineare i requisiti degli apparati sperimentali per EURISOL, la futura macchina europea
per la produzione e l'accelerazione di fasci esotici che, se il progetto sarà approvato e
finanziato dalla Comunità Europea, diventerà operativa dopo il 2010. Il gruppo di Napoli
partecipa a quest'iniziativa, e, in particolare, alla concezione ed allo sviluppo del rivelatore
per lo studio della transizione di fase e del ruolo dell'isospin nelle collisioni nucleo-nucleo.
A supporto di questo progetto è stata presentata una serie di temi di ricerca:
1) Termodinamica dei nuclei caldi (fusione e densità dei livelli) e della materia nucleare
(multiframmentazione e transizione di fase liquido-gas)
2)Equazione di stato della materia nucleare e termine di simmetria
3)Effetti dinamici e ruolo dell'isospin nelle collisioni periferiche (flussi collettivi,
emissione dal collo, …)
-93-
Programma 2001
L'attività seguirà lo svolgimento programmato:
a)analisi dei dati raccolti dalle collaborazioni INDRA, ALADIN e REVERSE;
b)quinta campagna di misura di INDRA;
c)studio e prime prove nell'ambito del gruppo “AZ-4π”;
d)discussione sulla strumentazione per EURISOL.
The scientific program of the REVERSE collaboration has partly been completed by
124
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58/64
197
112
58
197
studying the
Sn + Al /
Ni / Au and
Sn + Ni / Au collisions at E = 35 A.MeV.
The lower energy measurements and the ones scheduled with the uranium beam have
further been delayed. The reduction of the experimental data has been started.
The calibration procedures have been finished for the 3rd and 4th INDRA campaigns
carried out at GANIL (Caen, France) and GSI (Darmstadt, Germany), respectively. In the
meantime the analysis of data has been pursued for previous and more recent
measurements. Here the main achievements are reported on the liquid-gas phase transition
in nuclear matter.
Nucleus-nucleus collisions are a unique tool to study pieces of nuclear matter in extreme
conditions of density, temperature, excitation energy and asymmetry. They - from
(semi)peripheral events, leading to a breaking up elongated neck and to measurements of
the nuclear viscosity at finite temperature, up to central collisions producing the explosion
into several fragments allow to explore the phase diagram of nuclear matter analogously to
a real gas obeying van der Waals equation. The results derived from central collisions with
a single source in the exit channel can be summarised as follows:
a)multifragmentation is the manifestation of the liquid-gas phase transition inside nuclear
matter;
b)it is coupled to large kinetic energy fluctuations and the deduced heat capacity exhibits a
negative branch, as anticipated by theoretical calculations;
c)for one source equilibrated events multifragmentation starts when the system enters the
spinodal region (K∞ = ∂p/∂ρ < 0) and produces almost equal size fragments.
These results, although they have to be furthermore checked and verified, flow into
statistical physics of finite systems so that nuclear physics interlaces with other domains
like the aggregate physics.
Three proposals have been submitted to and approved by the GANIL PAC concerning
124/136
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129
116
isospin fractionation (
Xe+
Sn at E=32-45 A.MeV), fusion residues ( Xe+ Sn
129
116
at E=12÷35 A.MeV), intermittence and universal fluctuations ( Xe+ Sn at E=25÷35
A.MeV).
The Italo-French group “AZ-4π”, from INDRA and CHIMERA collaborations, has
continued the feasibility study for a third generation multidetector. In the meantime a
European study group has been organised to sketch the experimental apparatuses to equip
EURISOL, the future European facility for producing and accelerating radioactive nuclear
beams. It should be operational after 2010, if the plan will be accepted and financed by the
-94-
European Community. The Naples group is involved with this initiative and participates in
conceiving the multidetector for studying phase transition and isospin role in nucleusnucleus collisions. Some "key experiments" have been proposed to support this project:
1)Thermodynamics of hot nuclei (limit temperature and level density in fusion reactions,
…) and nuclear matter (multifragmentation, liquid gas phase transition, isospin
fractionation, …)
2)Equation of state of nuclear matter and asymmetry term
3)Dynamical effects and isospin role in peripheral collisions (collective fluxes, neck
emission, …)
2001 Program
The activity will continue according to the schedule:
a)analysis of data of the INDRA, ALADIN and REVERSE collaborations;
b)5th INDRA campaign and data reduction;
c)study and tests on prototype detectors and electronics for the “AZ-4π ” group;
d)discussion about EURISOL instrumentation.
Pubblicazioni 2000
1)
E.Plagnol, E.Rosato and the INDRA collaboration: "The onset of mid-velocity emissions in symmetric
heavy ions reactions", Phys. Rev. C61(2000)014606
2)
G.Auger, E.Rosato and the INDRA collaboration: "The physics of hot nuclei studied with INDRA",
Acta Phys. Pol. B31(2000)21
3)
K.Türzó, E.Rosato and the INDRA collaboration:". A study of the reaction mechanisms of colliding
nuclei for a wide range of energy and mass", Acta Phys. Pol. B31(2000)393
4)
T.Lefort, E.Rosato and the INDRA collaboration: " Study of intermediate velocity products in the Ar+Ni
collisions between 52 and 95 A.MeV, Nucl. Phys. A662 (2000)397
5)
J.F.Lecolley, E.Rosato and the INDRA collaboration: " Digital filtering: a common analysis for data and
mean field theories", Nucl. Instr. and Meth. A441(2000)517
6)
D.Gourio, E.Rosato and the INDRA collaboration: " Emission time scale of light particles in the system
Xe+Sn at 50 A.MeV. A probe for dynamical emission?", Eur Phys. J. A7(2000)245
7)
P.Désesquelles, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: " New method for
the dis crimination of single-source events in heavy-ion collisions", Phys. Rev. C62(2000) 024614
8)
R.Wada, E.Rosato and the NAUTILUS collaboration: " Reaction mechanisms and multifragmentation
process in 64Zn+58Ni at 35-79 A.MeV", Phys. Rev. C62(2000)034601
9)
V.Métivier, E.Rosato and the INDRA collaboration: " Mass scaling of reaction mechanisms in
intermediate energy heavy ion collisions", Nucl. Phys. A672(2000)357
10) F.Bocage, E.Rosato and the INDRA collaboration: " Dynamical effects in nuclear collisions in the Fermi
energy range: aligned breakup of heavy projectiles", Nucl. Phys. A676(2000)391
11) M.Germain, E.Rosato and the INDRA collaboration: " Evidence for dynamical proton emission in
peripheral Xe+Sn collisions at 50 MeV/u", Phys. Lett. B488(2000)211
12) D.Doré, E.Rosato and the INDRA collaboration: " Effect of intermediate velocity emissions on the
quasi-projectile properties for the Ar+Ni system at 95 A.MeV" , Phys. Lett. B491(2000)15
-95-
13) P.Pawlowski, E.Rosato and the INDRA collaboration: " Prompt light particle emission in the 36Ar
+58Ni reactions at 95 MeV/nucleon", Eur. Phys. J. A9(2000)371
14) M.F.Rivet, E.Rosato and the INDRA collaboration: " Cluster formation in nuclear dynamics below
100", 7th Int. Conf. on Clustering Aspects of Nuclear Structure and Dynamics, Island of Rab (Croatia)
June 14-19, 1999, eds. M.Koroljia, Z.Basrak and R.Caplar (Word Scientific Publishers, 2000,
Singapore) p. 278
15) B.Borderie, E.Rosato and the INDRA collaboration: " Multifragmentation and spinodal decomposition
of finite nuclear systems", ibidem p.331
16) M.F.Rivet, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: " Dynamical features in
nucleus-nucleus collisions studied with INDRA", Int. Symp. on Advances in Nuclear Physics, Bucharest
(Romania) December 9-10, 1999, eds. D.N.Poenaru and S.Stoica (Word Scientific, Singapore, 2000) p.
224
17) M.F.Rivet, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: " Thermodynamical
features of nuclear sources studied with INDRA", ibidem p. 233
18) N.Le Neindre, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: " Negative heat
capacities in central Xe+Sn collisions", XXXVIII Int. Winter Meeting on Nuclear Physics, Bormio
(Italy), January 23-29, 2000, ed. I.Iori, Ricerca Scientifica ed Educazione Permanente 116(2000)404
19) G.Tabacaru, E.Rosato and the INDRA collaboration: " Charge correlations in multifragmentation of a
heavy system and spinodal instabilities", ibidem p. 433
20) S.Hudan, E.Rosato and the INDRA collaboration: " Excitation energies of the fragments produced in
central collisions of Xe+Sn at intermediate energies ", ibidem p. 443
21) A.Hürstel, E.Rosato and the INDRA collaboration: " Dynamical and statistical emission of light charged
particles in 36 Ar+58 Ni induced reactions between 32 and 95 A.MeV ", ibidem p. 587
22) D.Doré, E.Rosato and the INDRA collaboration: " Role of nucleon-nucleon collisions in Ar+Ni
reactions", 10th Int. Conf. on Nuclear Reaction Mechanisms, Varenna (Italy) June 5-9, 2000, ed.
E.Gadioli, Ricerca Scientifica ed Educazione Permanente 117(2000)207
23) 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. 273
24) 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", 3rd CRIS - Phase Transitions in
Strong Interactions: Status and Perspectives, Acicastello, Italy, May 22-26, 2000
25) G.Tabacaru, E.Rosato and the INDRA collaboration: " Experimental evidence for spinodal
decomposition in multifragmentation of heavy systems", Structure of the Nucleus at the Dawn of the
Century, Bologna, Italy, May 29-june 3, 2000
26) G.Politi, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the Reverse collaboration: " First results of
REVERSE experiment", ibidem
27) N.Le Neindre, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: " Phase transition in
Xe + Sn-32 to 50 A*MeV central events ", ibidem
28) J.Lukasik, E.Rosato and the INDRA collaboration: " Onset of midvelocity emission in symmetric heavy
ion reactions", ibidem
29) P.Pawlowski, E.Rosato and the INDRA collaboration: " Contribution of prompt emission to the
production of intermediate velocity light particles in the 36Ar +58Ni reactions at 95 MeV/nucleon",
ibidem
30) J.L.Laville, N.De Cesare, E.Rosato, M.Vigilante and the INDRA collaboration: " Ni + Ni collisions at
32 MeV/u: experimental insight with the INDRA detector", ibidem
-96-
ASTROFISICA NUCLEARE
L.Campajola, A. D'Onofrio*, L. Gialanella, G .Imbriani*, C. Lubritto*, A. Ordine*, V. Roca, M. Romano, C.
Sabbarese*, F. Terrasi*
Attività 2000
Il programma di ricerca dell’esperimento ERNA prevede la misura della sezione d’urto
totale della reazione 12 C(α,γ)16 O, con un separatore di ioni di rinculo, e lo studio delle due
componenti principali all'energia rilevante per la combustione dell'elio (Ecm=300 keV),
corrispondenti a emissione di radiazione di dipolo e quadrupolo elettrico, σE1 e σE2,
attraverso una nuova misura della componente E1 e una rianalisi dei dati esistenti per
σE1/σE2. Lo sviluppo del separatore è stato basato sull'esperienza acquisita con
l'esperimento NABONA (Napoli Bochum collaboration for Nuclear Astrophysics), che ha
misurato la sezione d'urto della 7 Be(p,γ)8 B e che si è concluso con successo nell'anno 2000.
Nel corso del 2000 è stata completata l’analisi dei dati relativi alla misura della
componente E1 della transizione allo stato fondamentale della 12 C(α,γ)16 O ed è stata
avviata la progettazione e la realizzazione dell’apparato di rivelazione γ per il separatore,
che allo stato attuale prevede l‘utilizzazione di 14 BaF2 . Il disegno del separatore è stato
fissato definitivamente e quindi è stata completata l’acquisizione di tutti i componenti
necessari ed è iniziata la loro installazione nella configurazione finale presso il DTL di
Bochum. E’ anche stata completata la progettazione e la realizzazione di alcuni
componenti speciali e del sistema di misura e controllo dei campi magnetici necessari alla
diagnostica del fascio e al tuning del separatore. Sono state eseguite le misure delle
distribuzioni degli stati di carica di 16 O e 12 C in assorbitori gassosi, necessarie per la
pianificazione delle misure con ERNA. Lo stato attuale del progetto ERNA e i risultati
conseguiti sono stati presentati alla conferenza Nuclei in the Cosmos 2000.
Accanto alla attività sperimentale è continuata l’attività di ricerca volta allo studio
dell'influenza della sezione d'urto della reazione 12 C(α,γ)16 O sulla fase di combustione
dell'elio e sulla evoluzione successiva a questa fase per stelle massicce. Attraverso calcoli
evolutivi, che utilizzano il codice FRANEC, ed assumendo come limiti inferiore e
superiore i valori delle compilazioni di Caughlan e Fowler 1988 e Fowler 1985, è stata
evidenziata che l'introduzione di un effetto di overshooting della convezione durante la
fase di combustione dell'elio può simulare l'effetto dell'innalzamento del tasso di reazione.
Sulla base di questo risultato si è concluso che non è possibile utilizzare dati astrofisici
osservativi per fissare il valore del rate di reazione.
Nell’ambito dell’esperimento LUNA è stata completata l’installazione del nuovo
acceleratore da 400 kV nel laboratorio sotterraneo del Gran Sasso e sono state effettuate
con ottimi risultati prove di risoluzione, stabilità a lungo termine e la calibrazione in
energia. All’acceleratore da 50 kV è proseguita la fase di montaggio dell’esperimento per
la misura della reazione d(p,γ)3 He, costituito da un bersaglio gassoso a pompaggio
differenziale e da un apparato di rivelazione a grande angolo solido, che include un
“summing crystal” di BGO, l’elettronica di elaborazione dei segnali per la soppressione
del rumore e l’identificazione della molteplicità della cascata gamma, ed il sistema di
acquisizione basato sul bus FAIR.
Presso l’acceleratore da 100kV del DTL di Bochum è stato completato lo studio della
reazione 3 He(d,p)4 He con entrambe le combinazioni proiettile-bersaglio. Lo scopo
dell’esperimento è duplice: da un lato la misura del fattore astrofisico ha consentito la
-97-
determinazione del potenziale di screening, che è dipendente dallo stato molecolare del
bersaglio, diverso quindi per le reazioni d+3 He e 3 He+d. In entrambi i casi il potenziale di
screening è risultato più grande del limite adiabatico, considerato un limite superiore. Il
secondo obiettivo dell’esperimento consiste nella misura dello “stopping power” del
proiettile nel bersaglio gassoso. Nel caso in cui il bersaglio 3 He è monoatomico, è stato
trovato sperimentalmente per la prima volta un effetto di soglia, corrispondente all’energia
del primo stato eccitato dell’atomo di He, che fa deviare sensibilmente i dati rispetto alle
previsioni delle compilazioni basate su estrapolazioni da energie più elevate.
Programma 2001
Entro il 2001 è previsto il completamento dell’apparato sperimentale di ERNA. Saranno
ultimate le misure per la caratterizzazione del jet gas target e il separatore sarà completato
e caratterizzato con le reazioni di test 12 C(p,γ)13 N e 3 He(4 He,γ)7 Be. Inoltre è prevista la
realizzazione dell’apparato di misura γ e del rivelatore veloce (parallel grid avalanche
counter, PGAC) da inserire all’ingresso della camera a ionizzazione per le misure in
coincidenza con i γ prodotti nel corso della reazione. Durante il 2001 verrà completata
l’implementazione del sistema di acquisizione basato su bus FAIR. La versione ERNA del
sistema di acquisizione utilizzerà nuove cpu equipaggiate con porte ETHERNET veloci
che consentiranno il trasferimento via rete dei dati in list-mode.
Con questo apparato sarà iniziata la campagna di misure della reazione 12 C(α,γ)16 O per
Ecm=1.4-5.0 MeV, cui corrisponde un valore dell'energia del 16 O superiore alla soglia della
camera a ionizzazione già realizzata.
Sulla base di questo esperimento e di contatti già esistenti con il gruppo del Prof. J.
D'Auria della Simon Fraser University di Vancouver, sarà valutata la possibilità di
utilizzare la metodologia sviluppata in questo esperimento per studiare reazioni di cattura
radiativa di interesse astrofisico (in particolare le reazioni del ciclo CNO caldo) presso la
facility ISAC del TRIUMF di Vancouver, dove saranno disponibili fasci radioattivi (17 F,
19
Ne, 20 Na) di bassa energia.
L’attività presso gli acceleratori da 50kV e 400kV installati nel laboratorio sotterraneo
del Gran Sasso sarà caratterizzata dalla determinazione del fattore astrofisico delle reazioni
d(p,γ)3 He e 14 N(p,γ)15 O, importanti rispettivamente nell’ambito della catena pp e del ciclo
CNO della combustione stellare dell’idrogeno. La prima reazione sarà studiata utilizzando
un bersaglio gassoso a pompaggio differenziale ed un calorimetro di nuova concezione per
la misura dell’intensità del fascio. L’apparato di rivelazione di tipo “summing crystal”
consentirà di estendere le misure fino a pochi keV di energia nel sistema del centro massa,
fornendo per la prima volta dati sperimentali nel picco di Gamow. La seconda reazione, il
cui fattore astrofisico ad energia zero costituisce il dato fondamentale su cui è fondato il
metodo di datazione degli ammassi globulari basato sulla posizione del turn-over nel
diagramma H-R delle stelle della sequenza principale, sarà studiato, utilizzando bersagli
impiantati e rivelatori al Ge per la misura del fattore astrofisico al di sotto della risonanza a
278 keV.
-98-
The experimental program of the ERNA experiment consists in the measurement of the
cross section for the reaction 12 C(α,γ)16 O, by means of a recoil separator, and the study of
the two main components at the astrophysical energy relevant to the He burning (Ecm=300
keV), corresponding to the emission of dipole and quadrupole electric radiation. This study
has been carried out through a new measurement of the E1 component and through a
reanalysis of the existing data for σE1/σE2. During the year 2000 the data analysis for the
measurement of the E1 component of the transition to the ground state has been
completed.
The separator development has been based on the experience gained in the NABONA
experiment, completed in the year 2000 with the measurement of the cross section for the
reaction 7 Be(p,γ)8 B. The design and assembling of the γ detection system for the separator,
based on 14 BaF2 crystals, has been started. The separator design is now in its final version
and all the components have been acquired and their installation at DTL in Bochum is
about to be completed. Some special components (such as side Faraday cup, position
sensitive Faraday cup, movable slits) and magnetic field measurement and control system
(needed for beam and separator tuning) have also been realized. Charge state distributions
in gas targets for 16 O and 12 C have been measured, in view of the first measurements with
ERNA. The present status of the ERNA project and the results obtained have been
presented at NIC 2000 conference.
Besides the experimental activity, a theoretical research activity aimed to the study of
the influence of the cross section of this reaction on the He burning phase and on the
subsequent evolutionary phase for massive stars has been pursued. Calculations performed
with FRANEC code have shown that a high reaction rate effect could be simulated by the
introduction, in the calculation, of a convection overshooting effect during the He burning
phase.
In the framework of the LUNA experiment the new 400 kV accelerator has been
installed at the Gran Sasso obtaining excellent performances of resolution and long term
stability. The 50 kV accelerator has been equipped with the apparatus for the measurement
of the reaction d(p,γ)3 He.
At the 100 kV accelerator in Bochum the study of the 3 He(d,p)4 He reaction has been
completed, using both entrance channels. The astrophysical S-factor measurements have
been used to extract the screening potential, which has been found to be larger than the
adiabatic limit. Moreover, the stopping power of d in 3 He has been measured using a novel
technique, yielding the original result of a threshold at an energy corresponding to the
excitation energy of the first excited level in the He atom.
2001 program
In the year 2001 the ERNA experimental apparatus will be completed. The jet gas-target
will mounted and tested; the separator will be completed and characterized through the test
reactions 12 C(p,γ)13 N and 3 He(4 He,γ)7 Be. By the end of the year it is also planned to
complete the assembly of the γ detection set-up and of the fast detector (parallel grid
avalanche counter, PGAC), to be installed at the entrance of the ionisation chamber and
used for the coincidence measurements. During the year the implementation of the
acquisition system, based on the FAIR bus, will be completed. The ERNA version of the
-99-
acquisition system will use new cpu’s, equipped with fast ETHERNET port, that will
allow list-mode data transfer through the network.
With this apparatus the first campaign will be started to measure the 12 C(α,γ)16 O reaction
in the energy range Ecm=1.4-5.0 MeV, where the 16 O recoil energy is above the present
ionisation chamber energy threshold.
Thanks to the experience gained in the ERNA experiment and to the existing contacts with
the research group of Prof. J. D’Auria of Simon Fraser University of Vancouver (Canada),
it would be possible to apply similar experimental methods in radiative capture
experiments (in particular for reactions relevant to the hot CNO cycle) to be performed at
ISAC facility at TRIUMF laboratory, where low energy radioactive beam (such as 17 F,
19
Ne, 20 Na) will be available.
The research activity at the 50 kV and 400kV underground accelerators will deal with the
measurement of the astrophysical S-factor of the reactions d(p,γ)3 He and 14 N(p,γ)15 O, of
utmost importance in the pp chain and the CNO cycle of the hydrogen burning phase of
stellar evolution. Exploiting the performances of the high efficiency detection apparatus, it
will be possible for the first time to investigate the first of the two reactions down to the
Gamow peak. The second reaction, yielding a basic information for the determination of
the age of globular clusters, will be studied using implanted targets and Ge detectors.
Pubblicazioni 2000
1)
H. Costantini, A. Formicola, L. Campajola, A. D'Onofrio, L. Gialanella, G. Imbriani, A. Ordine, V.
Roca, M. Romano, F. Terrasi et al. Electron screening and ion stopping power at low energy Phys.
Lett. B482(2000)43
2)
L. Gialanella, L. Campajola, A. D'Onofrio, G. Imbriani, A. Ordine, V. Roca, M. Romano, C.
Sabbarese, F. Terrasi , H.P. Trautvetter et al.. Absolute cross section of p(7 Be,γ) 8 B using a novel
approach. Eur. Phys. J. A7(2000)303
3)
A. Formicola, L. Campajola, A. D ’Onofrio, L. Gialanella, G. Imbriani, A. Ordine, V. Roca, M.
Romano, F. Terrasi et al. Energy loss of deuterons in 3He gas: a threshold effect. Eur. Phys. J.
A8(2000)443
4)
L. Gialanella, L. Campajola, G. Imbriani, V. Roca, M. Romano, A. D’Onofrio, C. Sabbarese, F.
Terrasi, C. Agodi, R. Alba et al.. A new measurement of the E1 amplitude in 12 C(α,γ) 16 O.Int. Conf. “
Nuclei in the Cosmos”, Aarhus, Denmark, june 2000
5)
G. Imbriani, O. Straniero, F. Terrasi, M. Limongi and A. Chieffi, Influence of the
reaction rate on the evolution of a 15MO star. , ibidem
6)
F. Terrasi, L. Gialanella, G. Imbriani, L. Campajola, A. D'Onofrio, C. Lubritto, A. Ordine, V. Roca,
M. Romano, C. Sabbarese et al.. Direct measurement of the absolute cross section of p(7 Be,γ) 8 B,
ibidem.
7)
D. Rogalla and F. Terrasi. From NABONA to ERNA. Int. School on Nucl. Phys., Erice, Italy,
September 2000
100
- -
12
C(α,γ) 16 O
FISICA ATOMICA
IONIZZAZIONE IN ORBITALI ATOMICI INTERNI
D. Grassi *, N.De Cesare, E.Perillo, G. Spadaccini, M. Vigilante
Attività 2000
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 2000 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 parallelo, è proseguita l'attività volta alle misure attraverso la tecnica delle coincidenze
XK- XL; in particolare, si sta tentando di aumentare l'efficienza dell'apparato di misura,
ancora bassa, che non consente al momento di ottenere misure statisticamente
significative.
Programma 2001
Per il 2001 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. Si tenga presente che questi parametri sono
abitualmente ottenuti da calcoli e ne esistono solo rarissime misure.
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
XK- XL; in modo da poter effettuare nel corso del 2001 le prime misure.
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
allows 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.
101
- -
Further, first tests on XK- XL coincidences have started, trying to enhance the low global
efficiency of the experimental apparatus.
2001 Program
Measurements of the decay widths on some of the elements under study, aiming at
obtaining their behavior against Z. One must note that usually these parameters are
calculated and only very few measurements exist.
Simultaneously, the efforts to improve the detection efficiency and to clean the incident Xray beam will go on, in order to carry out the first XK- XL coincidence measurements.
FISICA NUCLEARE APPLICATA
ANALISI DI MATERIALI CON USO DI FASCI IONICI
L. Campajola, G. Gialanella, R. Moro, E. Perillo, G. Spadaccini
Attività 2000
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 SrTiO 3 .
Per quanto riguarda lo studio degli Elementi in Traccia in campioni biologici tramite la
misura delle concentrazioni con il metodo PIXE, è stato completato lo studio del ruolo
dello zinco e del selenio come fattori protettivi dallo stress ossidativo in soggetti affetti da
patologia epatica cronica. I risultati sono in corso di stampa su Biological Trace Element
Research.
Programma 2001
Proseguirà la 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.
Nel 2001 si intende sviluppare 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. Le informazioni sugli
102
- -
Elementi in Traccia, misurati tramite PIXE, e sugli altri parametri atmosferici misurati
serviranno a paragonare la situazione nelle differenti città.
2000 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 SrTiO 3 substrates have been analyzed.
As regard the study of Trace Elements in biological samples the role of Zinc and Selenium
as antioxidant factors in subjects affected by chronic liver disease has been investigated
and results are in press.
2000 Program
We intend to continue 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 2001 we will start a collaboration with the Universities of Firenze, Genova e Milano to
carry on PIXE measurements of air particulate collected simultaneously in these cities.
Comparison of data will be very interesting.
Pubblicazioni 2000
1)
A. Di Trolio, A. Morone, N. De Cesare, E. Perillo and G. Spadaccini: "Compositional analysis of
Sm1 Ba2 Cu 3 O7-x films produced by laser ablation” Applied Surface Science 154-155 (2000) 244.
SPETTROMETRIA DI MASSA ULTRASENSIBILE CON L'ACCELERATORE
TANDEM TTT-3
L.Campajola, A. D'Onofrio*, L. Gialanella, G. Imbriani*, C. Lubritto*, V. Roca, M. Romano, C. Sabbarese*,
F. Terrasi*
Attività 2000
L’efficacia delle modifiche implementate sia nella fase di preparazione dei campioni
(linea di grafitizzazione compatta in vetro) che nel sistema di iniezione del tandem (stadio
di preaccelerazione fra sorgente e magnete di iniezione) è stata verificata misurando circa
trenta campioni standard e campioni “ blank “. I risultati delle misure dei rapporti isotopici
103
- -
hanno consentito di caratterizzare la riproducibilità sia del ciclo di preparazione, che di
quello di misura.
Nell’ambito della collaborazione con il Dipartimento di Scienze Ambientali della
Seconda Università di Napoli (DSA) e con il Dipartimento di Analisi e Componenti del
Territorio dell’Università di Salerno si sono individuati i siti archeologici di Fratte,
Buccino ed Eboli, come particolari unità archeologiche interessanti da studiare in virtù del
lungo lasso temporale coperto dagli insediamenti succedutisi nelle varie epoche, risalenti,
si presume, all'età preistorica (necropoli dell'eneolitico). In particolare, per quanto riguarda
Eboli, durante il bronzo medio e recente viene occupata la collina di Montedoro a nord del
paese moderno dove rimane fino all'età romana. Ai piedi della collina vengono dislocate le
necropoli (VIII - IV secolo a.c.) ed in età ellenistica e romana alcuni quartieri artigianali. In
virtù di tale caratteristica, molti reperti e manufatti non possono essere collocati
temporalmente con i metodi dell’analisi storica e/o stilistica. Di qui la necessità di ricorrere
alla Spettrometria di Massa con Acceleratore.
Un altro filone di attività condotta durante il 2000 si inserisce nell’ambito della
collaborazione con il Dipartimento di Arboricoltura Botanica e Patologia Vegetale
(ArBoPaVe), finalizzata allo studio della dinamica di mutazione
della vegetazione
mediterranea in chiave modellistica per la comprensione delle dinamiche di vegetazione in
tempi storici. Il progetto ha come obiettivo la caratterizzazione delle alternanze tra
vegetazione di tipo sempreverde e caducifoglia in ambiente mediterraneo, utilizzando
campioni provenienti dal promontorio di punta Tresini, in Cilento.
Circa 50 campioni relativi ai progetti di ricerca citati sono stati trattati in collaborazione
con il DSA, utilizzando la versione migliorata della linea di grafitizzazione che attualmente
consente, prima dell'inizio della fase di grafitizzazione vera e propria, il prelievo di una
piccola aliquota di campione sotto forma di gas da analizzare con lo spettrometro di massa
convenzionale del DSA al fine di misurare direttamente il rapporto isotopico 13 C/12 C per
ogni campione e quindi di effettuare la correzione per frazionamento isotopico.
Risultati preliminari per una decina di campioni relativi ad entrambi i progetti sono stati
ottenuti e sono attualmente oggetto di analisi in collaborazione con i gruppi coinvolti nei
progetti stessi.
Programma 2001
Durante il 2001 verrà completata la prima fase della collaborazione con il Dipartimento
di Salerno, che porterà alla realizzazione di un catalogo informatizzato dei reperti studiati.
La collaborazione con il l’ArBoPaVe verrà estesa ad altri siti di interesse
paleoantracologico.
Verrà completata la fase di messa a punto del prototipo di linea di grafitizzazione,
mediante anche l’implementazione di “trappole” criogeniche basate su celle Peltier. La
modifica dell’ottica della sorgente sputtering ed un diverso sistema di caricamento dei
campioni dovrebbe consentire di aumentare l’efficienza in corrente dei campioni stessi, e
quindi produrre un miglioramento nella precisione delle misure.
104
- -
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 thirty standard and “blank” samples. The results of isotopic ratio
measurements allowed to check the reliability of both sample preparation and isotopic ratio
measurement procedures.
In the framework of the collaboration with the Dipartimento di Scienze Ambientali of
the Seconda Università di Napoli (DSA) and with the Dipartimento di Analisi e
Componenti del Territorio of the Università di Salerno the archeological sites of Fratte,
Buccino and Eboli have been chosen, as specific and interesting archeological units to be
studied, due to the long time laps covered by settlements going back, probably, to the
prehistoric age (eneolitic necropolis). In particular, for Eboli, during the middle and recent
bronze age the Montedoro hill, in the north sector of the modern town, was occupied until
the Roman age. At hill foot necropolis were created (VIII – IV cent. B.C.) and later, in
hellenistic and roman times, some craftsman neighborhoods. Because of these
characteristics, several items found on these sites cannot easily be classified in time by
means of historical and/or stylistic analysis. It is then very helpful to use the Accelerator
Mass Spectrometry.
Another research program is carried out in the framework of a collaboration with the
Dipartimento di Arboricoltura Botanica e Patologia Vegetale (ArBoPaVe) of the
Università “Federico II” di Napoli. This program deals with the study of the mutation
dynamics of the mediterranean vegetation according to current models for the
understanding of the vegetation dynamics in historical times. The project goal is to
characterize the periodical changes between evergreen and loosing leaf vegetation in
mediterranean environment, by means of samples coming from Tresini point, in the
Cilento area.
Around 50 samples concerning the cited research programs have been processed in
collaboration with the DSA, by using the improved version of the graphitization line,
which, at present, allows, before starting of the graphitization stage itself, to derive a small
sample amount, as CO2 gas, to be used in the conventional mass spectrometer of DSA in
order to measure the 13 C/12 C isotopic ratio, and then correct for the eventual isotopic
fractionation. Preliminary results for a tens of samples concerning both research programs
have been obtained and are presently being analyzed in collaborations with all the research
groups concerned.
2001 Program
During the year 2001 the first stage of the collaboration with the Salerno group will be
completed. The results will be presented in a multimedia catalogue. The collaboration with
ArBoPaVe will be extended to other sites of paleoantrological interest.
The tuning phase of the graphitization line will be completed and criogenic traps based on
Peltier cells will be implemented. Modifications in the optics of the sputtering ion source
and a new charging system for the samples should allow to increase the sample current
efficiency, and then to improve the measurement precision.
RICERCHE INTERDISCIPLINARI IN CAMPI DI INTERESSE INDUSTRIALE
105
- -
L.Campajola, N.De Cesare, A. D'Onofrio*, L. Gialanella, V. Roca, M. Romano, F. Terrasi*
Attività 2000
Nell’anno 2000 sono iniziate due nuove 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 di tali attività, svolta in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria
Meccanica per l’Energetica dellÚniversità di Napoli ”Federico II” (DIME), 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 meccanica. La tecnica si basa sulla impiantazione di
radionuclidi, in particolare 7 Be, sulle parti da studiare: dalla variazione della radioattività
misurata su tali parti è possibile risalire, se il profilo di impiantazione dei radionuclidi è
noto, alla loro usura meccanica. La tecnica proposta permette lo studio delle caratteristiche
tribologiche di nuovi materiali. In prospettiva, una sua utilizzazione per il controllo dello
stato di usura di dispositivi meccanici, p.e. turbine, durante il loro funzionamento potrebbe
permettere di ottimizzarne gli intervalli di manutenzione.
Il fascio di 7 Be di 8 MeV necessario per límpiantazione è prodotto secondo la procedura
messa a punto per le misure di astrofisica nucleare sviluppate nell’ambito dell’esperimento
NABONA (Napoli Bochum Nuclear Astrophysics). Per le misure tribologiche è previsto
lúso di una cosiddetta macchina ”Pin-on-Disk”, in cui i materiali da studiare vengono
posti in forma di cilindri con un diametro di base di 10 mm, il pin, su un disco rotante. La
radioattività del campione, che si riduce di pari passo con l’asportazione del materiale
usurato, è misurata con un rivelatore al Ge iperpuro. Come già accennato, per una accurata
determinazione dell’usura è essenziale che il profilo di impiantazione sia controllato o,
comunque, conosciuto. A tale scopo è stato messo a punto un nuovo metodo che prevede
la degradazione in energia del fascio attraverso un assorbitore gassoso ad Ar. L’assorbitore
è costituito da una cella, con finestre di Mylar, nella quale è possibile modificare il valore
della pressione del gas in maniera da ottenere il profilo di impiantazione desiderato. La
pressione nella cella è controllata attraverso un sistema automatico di flussaggio del gas
gestito da un programma sviluppato in ambiente Labview.
Nel corso del 2000 sono già stati effettuati due test di impiantazione e un primo test per
una misura dell’usura globale e della velocità d’usura di un provino di ottone utilizzando la
macchina ”Pin-on-Disk” del DIME: i risultati ottenuti hanno dimostrato la fattibilità e la
convenienza della tecnica proposta.
La seconda attività, in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Elettronica per le
Telecomunicazioni dellÚniversità di Napoli ”Federico II” (DIET), è volta allo studio delle
modifiche delle caratteristiche elettriche di dispositivi di potenza basati su semiconduttori
in seguito a impiantazione ionica. In particolare, si intende studiare la variazione del tempo
di ricombinazione di portatori di carica minoritari, e quindi del tempo di commutazione dei
dispositivi in questione, indotta dal danno prodotto dalla impiantazione di protoni di varie
energie e per varie dosi. Nella prima fase è previsto lúso di dispositivi di test, messi a
punto dai ricercatori del DIET, che permettono di misurare localmente il tempo di
ricombinazione in una giunzione p-n. Attraverso questi dispositivi si possono individuare
le condizioni nelle quali la riduzione dei tempi di commutazione si accompagna al minimo
106
- -
deterioramento delle caratteristiche elettriche della giunzione stessa e, inoltre, si possono
sviluppare dei modelli per questo tipo di processi che siano di aiuto nello studio di
dispositivi più complessi. I risultati ottenuti saranno poi applicati a dispositivi
commerciali. Al fine di ottenere una impiantazione uniforme sulla intera area dei
dispositivi irraggiati è stato realizzato un sistema di scansione del fascio mediante magneti
pilotati, in orizzontale e in verticale, da un generatore di funzioni d’onda con ampiezza e
frequenza variabili. Finora sono state effettuate tre impiantazioni con protoni di energia
pari a 1.5 MeV sui dispositivi di test, con dosi comprese tra 109 e 1012 ioni/cm2 . Le analisi
preliminari per misurare le variazioni indotte sulle caratteristiche dei dispositivi hanno dato
risultati estremamente positivi .
Programma 2001
E’ prevista la realizzazione, in collaborazione con il DIME, di una apposita macchina
”pin on disk” di dimensioni ridotte che consentirà di migliorare l’efficienza di rivelazione
dei γ del 7 Be. La nuova macchina permetterà il controllo di altri parametri, quali ad
esempio la temperatura del campione, interessanti per le misure tribologiche ed è stata
progettata per rendere più semplice ed efficace la raccolta dei residui granulosi per le
misure della radioattività asportata oltre che di quella residua. Sono previsti alcuni test con
fasci stabili, principalmente con 9 Be, per la messa a punto del dispositivo di controllo del
profilo del fascio, nonché due impiantazioni di 7 Be per le misure tribologiche.
Nel corso del prossimo anno si prevede di continuare lo studio dei dispositivi di potenza
a semiconduttore con impiantazione di protoni, nonchè di altri ioni, principalmente 4 He. E’
prevista inoltre la progettazione e la realizzazione di una stazione di impiantazione e la
modifica del sistema di scansione del fascio con ládozione di unità elettrostatiche che
permettono di ottenere frequenze di scansione più elevate di quelle attualmente
raggiungibili, il che permetterà di impiantare uniformemente anche per dosi, e quindi tempi
di irraggiamento, molto bassi.
Two new research projects in applied physics have started in year 2000. Both of them
are based on ion implantation using the ion beams delivered by the 3MV Tandem
accelerator of the Physical Science Department.
The first project, in collaboration with the Department of Mechanical Engineering for
Energetics (DIME) 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. This technique is based on ion implantation of
radionuclides, in particular 7 Be, using the 8 MeV 7 Be beam developed for NaBoNA
(Napoli Bochum Nuclear Astrophysics) experiment. The wear measurement is then
performed by monitoring the radioactivity on the sample, whose reduction determines the
amount of material removed, if the radionuclide depth distribution after implantation is
known. In order to control the implantation profile, a novel beam energy gas degrader has
been realized and tested. The degrader is computer controlled and the pressure can be
smoothly varied in order to control the implantation profile. Two implantation runs have
107
- -
been performed during year 2000 and an existing standard Pin-on-disk machine in
combination with a 30% HPGe detector has been used for a first test measurement. The
results of such measurements confirm the feasibility of the proposed method.
The second project, in collaboration with the Department of Electronic and
Telecommunication Engineering of the University of Napoli ”Federico II” (DIET), is
devoted to the study of the modifications induced by ion beam irradiation on
semiconductor power devices, in particular as regard the reduction of the minority charge
carriers recombination lifetime, that has a strong influence on the commutation time of
such devices. To this purpose, special test devices have been designed and realized at
DIET, that allow to measure the local recombination lifetime along a p-n junction. These
measurements will allow to optimize the implantation procedure in order to reduce the
commutation time with a minimum deterioration of the electric specifications of the device
itself.
Some preliminary measurements have been performed using a 1.5 MeV proton beam
with doses ranging from 109 to 1012 ion/cm2 .
2001 Program
As regard 7 Be implantation, a dedicated pin-on-disk apparatus will be realized to improve
the γ-detection efficiency. Some tests with stable beams, maily 9 Be, will be performed in
order to optimize the implantation profile control system, while two 7 Be 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, mainly 4 He. Such measurements will
be performed using an improved implantation station, that will allow a better control of the
implanted dose.
108
- -
SVILUPPO DI NUOVE TECNICHE
SVILUPPO DI SISTEMI DI ACQUISIZIONE PER APPARATI DI FISICA
SPERIMENTALE
A. Boiano*, R. Mordente*, A. Ordine*
Attività 2000
Tale attività, iniziata ai primi degli anni ’90, è da qualche anno concentrata su di una linea
di sviluppo denominata FAIR. FAIR (Fast Intercrate Readout) 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.
Nel 2000 è continuato il lavoro di completamento dei sistemi di acquisizione per gli
apparati 8pLP e GARFIELD (entrambi ai Laboratori Nazionali di Legnaro) basati sul bus
FAIR, che, con rispettivamente 1100 e 1350 linee di acquisizione, rappresentano due tra i
più grandi sistemi per la Fisica Nucleare mai realizzati. Si tratta di sistemi VME a
multiprocessore che provvedono al controllo della elettronica di “front-end” FAIR, alla sua
inizializzazione, alla raccolta dei dati ed alla analisi in linea. Il software, su questa
piattaforma, è ottimizzato per tali compiti ed è realizzato quasi interamente in linguaggio
macchina. L’accesso al sistema, da parte dell’utente, è realizzato da software sviluppato su
macchine UNIX/HP.
Per lo sviluppo del sistema per l’apparato GARFIELD, si è completata la fase di
progettazione di un modulo di ritardo digitale a 32 vie ad ampio “range” (da 25 a 6400 ns
di ritardo impostabile per ciascuna via), anch’esso immediatamente gestibile in un sistema
basato su FAIR.
Inoltre sono entrati in funzione il sistema realizzato per l’esperimento SERPE, anch’esso
presso i Laboratori Nazionali di Legnaro e quello realizzato per l’esperimento LUNA,
presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso.
Un sistema molto simile a quest’ultimo è stato realizzato per l’esperimento ERNA
(all’Univ. di Bochum – Germania). Nel corso di quest’anno è stato altresì completato il
“porting”, cominciato nel 1999, della parte di software, realizzato in un primo tempo su
macchine UNIX/HP, verso la piattaforma, più economica e diffusa, Linux/PC.
Nel secondo semestre del 2000 è iniziato il lavoro di aggiornamento del sistema di
acquisizione per 8pLP per ciò che riguarda la parte dedicata all’immagazzinamento
permanente dei dati. Tale sistema, nato per l’immagazzinamento su supporto a nastro
EXABYTE, è stato, convertito per l’impiego con dispositivi a nastro DLT, più affidabili e
di maggiore capacità. Successivamente tale sistema sarà radicalmente modificato per la
scrittura dei dati acquisiti su dischi di grandi dimensioni, basato su piattaforma Linux/PC.
Programma 2001
Nel corso del 2001 si procederà al completamento del sistema di immagazzinamento dei
dati su disco. Sarà poi iniziato il lavoro di aggiornamento del sistema basato su piattaforma
VME a multiprocessore. Esso, attualmente in ambiente OS9/680X0, sarà profondamente
ridisegnato per la nuova e più potente piattaforma LynxOS/PowerPC. La nuova versione
sarà immediatamente impiegata nell’esperimento ERNA.
109
- -
This activity has, in the last years, mainly been focused on a development line named
FAIR. FAIR (FAst Inter-crate Readout) is a new trigger, readout and control system
designed to be used in data acquisition system for nuclear experiments.
Data taking with FAIR has started in the December of 1998. Since then there were other
applications. In February 1999 first tests of the data acquisition system for Garfield
apparatus were carried out at Laboratori Nazionali di Legnaro.
In the 2000 it has been completed the designing of a wide range (25 to 6400 ns) 32 lines
digital delay module, equipped with the FAIR interface, to be used in the Garfield data
acquisition system.
In February the FAIR acquisition system built up for SERPE experiment, at Laboratori
Nazionali di Legnaro, has performed the first data taking. In May has been tested the first
version of FAIR DAQ for the LUNA experiment, at Laboratori Nazionali del Gran Sasso.
Few months later a similar system has been installed at Bochum (Germany) for the first
cycle of measurements of ERNA experiment.
During the 2000 it has also been completed the porting of the user interface of the system
from the UNIX/HP to the more convenient Linux/PC platform. The data storing, that was
originally developed to store data on EXABYTE devices, has been converted to use DLT
tapes and it will be redefined from scratch to use large disks on Linux/PC platform.
2001 Program
The first step will be the completion of the disk data storing that will be used in the 8pLP
apparatus. We will start the upgrading of the VME part of current DAQ version. This part
will be redesigned to port it from OS9/680X0 to the LynuxOS/PowerPC platform. This
new version will be used by ERNA experiment.
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
Attività 2000
Per lo studio di reazioni indotte da ioni pesanti in cinematica inversa è necessario utilizzare
uno spettrometro magnetico per separare i residui pesanti dal fascio incidente residuo. A
tale scopo si usa uno spettrometro magnetico per gli eiettili pesanti ed un rivelatore
sensibile alla posizione per la rivelazione dei soli eiettili leggeri che per reazioni di breakup di ioni esotici ricchi di protoni sono solo protoni. Un rivelatore di questo tipo è stato
realizzato e consiste in un "array" di 8 telescopi formati ciascuno da 2 rivelatori al silicio
aventi area attiva di 50 x 50 mm2, spessore crescente (70 e 600 micron) e segmentati da un
lato in striscie di circa 0,5 mm di larghezza ("strips"). E' stato verificato che la lettura della
posizione mediante un partitore resistivo determina segnali troppo deboli per piccole
energie dei protoni rivelati. Pertanto la lettura della posizione sarà effettuata mediante un
110
- -
chip ( il chip Atom) che consente di gestire fino a 128 canali fornendo l'identificazione
della strip interessata dall'evento. E' in corso di sviluppo una scheda elettronica su bus
VME per il suo controllo. Un segnale analogico proporzionale all’ energia depositata viene
prelevato dall'elettrodo a piatto unico dello stesso rivelatore.
Programma 2001
Sarà continuata l'implementazione dell'elettronica di controllo dei rivelatori a strip che
saranno utilizzati in diverse configurazioni per gli esperimenti sui meccanismi di reazione.
Una notevole attività sarà dedicata al calcolo ed alla progettazione degli elementi
magnetici ed elettrici che costituiranno il sistema di trasporto e di selezione di un fascio
esotico di 17 F . Il finanziamento di questo sistema è stato richiesto attraverso un PRIN e la
sua collocazione finale sarà presso i Lab. Naz. di Legnaro dell' INFN.
2000 Activity
A large area strip silicon detector array, consisting of 8 two-layer elements, devoted only
to the proton detection, has been completed. To read out the position signals, instead of the
resistive partition technique, the Atom chip is used. The chip will be operated through a
VME card which is being developed.
2001 Program
The main activity will be devoted to the design of the magnetic and electric devices which
will constitute the transport system for a 17 F exotic beam. The financial support of such a
system has been requested to the MURST through a PRIN(research programs of national
interest). The system will be located at the Legnaro National Laboratories.
SVILUPPO DI NUOVI RIVELATORI PER RADIAZIONE E. M.
RIVELATORI A SEMICONDUTTORI COMPOSTI
N. De Cesare, D. Grassi*, E. Perillo, G. Spadaccini
Attività 2000
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
111
- -
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 HgI 2 , 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 2000, 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:
Sviluppate prevalentemente dal gruppo di Lecce, tendenti ad ottenere rivelatori realizzati
con una tecnica innovativa, basata sulla deposizione epitassiale di CdTe. Lo scopo è quello
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 continuate, con il piccolo reattore già operante, le deposizioni di film di CdTe su
substrati di GaAs, sia isolanti, sia n+. Oltre alle consuete caratterizzazioni X ed elettriche
sono state effettuate misure di catodoluminescenza che hanno confermato 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 Maspec-CNR e con Venezia Tecnologie, che sono
in grado di fornire polveri con elevata riproducibilità stechiometrica. I risultati sono stati
pubblicati e presentati a Congressi Internazionali. E' stato completamente progettato e
realizzato ed è in fase di avanzato montaggio il nuovo reattore necessario per ottenere
spessori maggiori di CdTe; alcune parti sono state acquistate e altre, molto innovative,
sono state disegnate e fatte realizzare.
b) confronto con 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 all’IME-CNR di Lecce.
Sono stati progettati in collaborazione con ricercatori del CNR/TESRE di Bologna e
realizzati all'EURORAD di Strasbourg rivelatori con struttura back-to-back, ad anodi
affacciati, di varie dimensioni, irradiabili sia in configurazione Planar Transverse Field
che in quella Planar Parallel Field. Questi dispositivi sono stati realizzati con l’intento di
ottimizzare le prestazioni spettroscopiche senza diminuire l'area utile di rivelazione, per
impieghi con bassi flussi di radiazione incidente. I relativi test sono stati completati ed
hanno permesso di identificare uno spessore ottimale per il rivelatore singolo di 1 mm e di
confermare i vantaggi della struttura proposta nella realizzazione di moduli per array di
rivelatori. Anche questi risultati sono stati pubblicati e sono stati presentati a Congressi
Internazionali.
c) miglioramenti spettroscopici con l’impiego di elettrodi segmentati:
Sono stati completati a Napoli i test sui rivelatori al CdTe a griglie complanari, di
“seconda generazione”, realizzati su nostro progetto dalla ACROTEC (Giappone). I
risultati hanno confermato le difficoltà di ottenere per questa via miglioramenti
spettroscopici per rivelatori basati su questo materiale con spessori dell'ordine dei 2 mm.
112
- -
Sono quindi allo studio nuove configurazioni di elettrodi, che sfruttino o no la tecnica one
carrier detection.
Programma 2001
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.
Verrà inoltre studiata la modellizzazione termodinamica della deposizione di CdZnTe,
condizione indispensabile per poter procedere a prime deposizioni di questo materiale.
b+c) confronto con rivelatori prodotti con tecniche tradizionali e miglioramenti
spettroscopici con l’impiego di elettrodi segmentati:
Saranno estese le prove di confronto con rivelatori 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 bi-dimensionali (a microstrip)e gli idonei sistemi di collimazione. Sarà inoltre
proseguito lo studio in corso per adattare i preamplificatori per rivelatori a CdTe alle
maggiori capacità elettriche dei dispositivi epitassiali.
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
subjects:
a) epitaxial growth and contact techniques:
aiming at producing devices based on high quality mirror-like CdTe 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. The results have been published and presented at recent
topical Workshops. A new highly innovating epitaxial reactor has been designed, produced
and assembled in order to produce thicker CdTe films.
b) traditional bulk detectors:
CdZnTe bulk detectors fabricated at Strasbourg have been contacted at IME/CNR-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 and the Planar Parallel Field configuration have been designed in
collaboration with researchers from the CNR/TESRE - Bologna and fabricated at
EURORAD - Strasbourg. These devices are particularly suitable for space applications,
113
- -
where the active detection areas can not be reduced, owing to the low radiation flux. The
relevant tests allowed us to identify a best thickness of 1 mm for the single detector and to
confirm the improvements obtained by using the back-to-back configuration in setting up
detector arrays. Also in this case the results have been published and presented at recent
International Conferences.
c) spectroscopic improvements by segmented electrodes:
The tests on “second generation” coplanar grid anode detectors designed at Napoli and
fabricated by ACROTEC (Japan) have been completed. The results show that this
technique is not suitable to give significant spectroscopic improvements on 2 mm thick
CdTe based detectors. Simulations on new electrode configurations, using or not the one
carrier detection technique, are now being carried out.
2001 Program
a) epitaxial growth and contact techniques:
Fabrication of CdTe planar detectors and one- and two-dimensional arrays, based on
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 segmented electrodes:
Further tests on full and segmented electrodes 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. Improvements of the front-end electronics for the low capacitance epitaxial
devices.
Pubblicazioni 2000
1)
N. Auricchio, E. Caroli, A. Donati, W. Dusi, P. Fougeres, G. Landini, E. Perillo, and P. Siffert.
"Spectroscopic performance of thin CdTe detectors mounted in back-to-back configuration"..Proc.
of SPIE's 45th Annual meeting, Conf. 4141, San Diego (USA) Agosto 200
2)
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 with various sizes" IEEE NSS+MIC Lyon (F)
Ottobre 2000
3)
A. Cola, F. Quaranta, E. Caroli, W. Dusi and E. Perillo. "Simulation of the collection properties of
CdTe strip detectors" IEEE NSS+MIC Lyon (F) Ottobre 2000
114
- -
BIOFISICA DELLE RADIAZIONI
RADIOSENSIBILITÀ CELLULARE PER IRRAGGIAMENTO CON ADRONI
M. Durante, G. Gialanella, G.F. Grossi, M. Pugliese *, P. Scampoli
Attività 2000
L'impiego di fasci di adroni in radioterapia richiede la caratterizzazione del fascio
terapeutico con particolare riguardo agli ioni secondari prodotti a seguito di
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) e entro qualche anno saranno noti i risultati clinici. Tuttavia, uno
studio sistematico dell'efficacia biologica relativa (RBE) di fasci di adroni, e quindi 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 (Istituto
Superiore di Sanità) e Legnaro (Laboratori Nazionali dell’INFN), dopo un precedente
studio dell’RBE di fasci di protoni di bassa energia, sono state completate le misure di
inattivazione cellulare su quattro linee cellulari umane di diversa radiosensibilità, due
tumorali e due normali, irraggiate con fasci di ioni carbonio di energia 6 e 8 MeV/u presso
l'acceleratore XTU Tandem dei Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL).
Programma 2001
Presso i Laboratori Nazionali del Sud di Catania verrà caratterizzato, da un punto di vista
radiobiofisico, un fascio di ioni carbonio da 70 MeV/u. Questo permetterà di determinare
l’RBE attraverso la misura delle curve dose-risposta per l’inattivazione delle stesse linee
cellulari in studio, con fasci monoenergetici di carbonio di energia più alta di quella
disponibile presso i LNL.
Misure dell’RBE, all’energia di 250 MeV/u e con fasci terapeutici, verranno condotte
presso il NIRS di Chiba.
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 to a
precise determination of the effective dose is essential for a successful radiotherapy
treatment. Furthermore, a systematic study of hadron beam RBE, correlated to the study of
115
- -
factors that could influence cell response following irradiation with high densely ionising
radiation, is very important in order to foresee 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 in 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.
In the framework of the ATER.BIOR project of the INFN, in collaboration with other
Italian radiation biophysics groups from the Physics Department of Milano, the Italian
National Institute of Health (ISS) in Roma, and the Legnaro National Laboratory of INFN
(LNL), we completed inactivation measurements on normal and tumour human cell lines
with different radiosensitivity. The cell lines were irradiated with carbon ions, at the XTU
Tandem accelerator of LNL, at the energy of 6 and 8 MeV/u.
2001 Program
At the Laboratori Nazionali del Sud in Catania, we will characterise the carbon beam of 70
MeV/u from a radiobiophysical point of view. This will permit to carry on the
measurement of the dose-reponse curves also at an energy higher then that available at
LNL.
The study will be continued at even higher energy (250 MeV/u) and with therapeutic
beams at NIRS in Chiba.
DOSIMETRIA BIOLOGICA IN RADIOTERAPIA E DELLA RADIAZIONE
NELLO SPAZIO
Attività 2000
Esistono molte tecniche biologiche 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 dell’esperimento è contribuire alla comprensione dei meccanismi che determinano
la formazione delle aberrazioni cromosomiche nei linfociti al fine di una loro applicazione
al monitoraggio citogenetico in radioterapia.
Abbiamo condotto esperimenti in vivo su pazienti trattati con radioterapia presso il
Dipartimento di Scienze Biomorfologiche e Funzionali dell’Università “Federico II” di
Napoli, misurando per la prima volta 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 nuova tecnica di ibridizzazione
in situ in fluorescenza (FISH) combinata con la condensazione prematura dei cromosomi
116
- -
(PCC), già applicata a pazienti trattati per il carcinoma dell'esofago e dell'utero (Durante et
al., 1999). Si è trattato della prima applicazione in Italia di questa nuova tecnica per il
monitoraggio dei pazienti durante il trattamento radiativo per la cura dei tumori.
Il programma di dosimetria biologica è inoltre esteso all’analisi dell’effetto della
schermatura sull’efficacia biologica della radiazione nello spazio.
Le particelle di alta energia, 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.
Tale studio è finanziato dall’ASI ed è svolto in collaborazione con i gruppi teorici e
sperimentali della NASA. In tale ambito, misure sono state condotte presso l’HIMAC di
Chiba, irraggiando, con ioni ferro, linfociti di sangue periferico, con e senza schermature
di leucite e alluminio, all’energia di 500 e 200 MeV/u.
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 stata acquisita la strumentazione necessaria al riconoscimento automatico
delle immagini cromosomiche, che permetterà la misura dei numerosi campioni necessari
per utilizzare di “routine” la dosimetria biologica.
Programma 2001
I dati raccolti finora hanno dimostrato che il trattamento del carcinoma della mammella
con raggi X provoca un aumento nella frequenza di aberrazioni cromosomiche nei linfociti
del sangue periferico. Si passerà ora a cercare la correlazione con i dati clinici.
Inoltre, al fine di sviluppare i modelli esistenti di trasporto ed interazione con la materia
biologica della radiazione spaziale e di misurare in modo diretto l’effetto della schermatura
su diversi sistemi biologici, irradiazioni verranno condotte all’AGS di Brookhaven (USA)
con ioni ferro di 1 GeV/u.
Infine andrà completata la strumentazione per il riconoscimento automatico delle
aberrazioni cromosomiche e sviluppato il relativo software.
Radiation dose absorbed by man can be measured by a variety of biological techniques.
Biological dosimetry is suitable in the following cases:
a. when absorbed dose is not known from other sources;
b. when physical dose can be measured but it is important to know the biological relevant
accumulated dose.
When irradiation is concerned, DNA is the critical target and DNA damages can be
repaired with high efficiency. As a consequence, bio-indicators based on cytogenetics can
give a measurement of the biological relevant dose. The goal of our experiment is the
comprehension of the mechanisms causing chromosome aberrations in lymphocytes for
applications in cytogenetic monitoring in radiotherapy.
We performed in vivo experiments on patients treated with radiotherapy at the
Radiotherapy Department of the University of Naples “Federico II” where a LINAC is
117
- -
used for treatments with electrons and 6 MV X-rays. For the first time, chromosomal
aberration in human lymphocytes were measured during breast cancer radiotherapy
treatment. The new technique of Fluorescence In-Situ Hybridisation (FISH) together to
Premature Condensed Chromosomes (PCC) have been used for the analysis of the
cytogenetic damage.
The biological dosimetry has also been extended to the study of the effects of shielding on
biological effectiveness of space radiation. High energy particles of 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 irradiating the crew. At present a very few direct measurements exist
concerning the effects of the shielding on biological damage. The project is funded by ASI
and it is performed in collaboration with experimental and theory NASA groups. In this
framework, irradiation have been carried out at HIMAC in Chiba (Japan) with an iron
beam of 500 and 200 MeV/u, with and without leucite and aluminium shielding.
Finally, in the framework of our project: ”Health Physics in image analysis in biomedical
field: operative support and new developments” (funded by L. n. 488) a dedicated system
has been acquired for automatic chromosome image recognition. Thanks to this device a
large number of samples could be analysed allowing a routine use of biological dosimetry.
2001 Program
The analysed blood samples from patients treated with radiotherapy show an increase of
the chromosome aberration in lymphocytes. We have now to correlate this result to clinical
data.
Furthermore, 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, irradiations will be performed at the AGS in Brookhaven
(USA) with iron beams of 1 GeV/u.
EFFETTI MOLECOLARI E CELLULARI DELLE RADIAZIONI NON
IONIZZANTI
Attività 2000
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 da
effetti non termici se la temperatura non varia in modo apprezzabile. L’assorbimento di
energia è quantificato dal SAR (Rateo di Assorbimento Specifico) che è definito dalla
relazione SAR = d/dt (∆E/∆m) che dipende in modo complesso dalle caratteristiche del
118
- -
campo elettromagnetico, del sistema biologico e dell’esposizione. Per produrre in vivo
effetti termici, il suo valore deve essere maggiore di qualche W/kg.
Mentre gli effetti termici delle microonde sono ampiamente documentati, 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
generalmente inferiori al W/kg nei sistemi biologici interessati.
Si vogliono studiare gli effetti non termici analizzando l'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.
In questo ambito sono state esposte e analizzate due serie di campioni, ottenendo risultati
preliminari, ma significativi, in collaborazione con il Laboratorio di Microonde del
Dipartimento di Ingegneria Elettronica diretto dal Prof. Guglielmo d’Ambrosio.
Programma 2001
Sulla base delle prime prove effettuate e tenuto conto della potenza specifica massima
assorbibile dalla telefonia cellulare stimata dell'ordine di 1 W/kg, si studierà l'esposizione
in condizioni prefissate di linfociti di dieci diversi donatori. L’esposizione verrà realizzata
presso il Laboratorio di Microonde del Dipartimento di Ingegneria Elettronica. In
particolare, attraverso un sistema costituito da una cavità risonante in guida d’onda
rettangolare, 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
attraverso l’analisi delle aberrazioni cromosomiche.
Una fase successiva, consisterà nell'analizzare la dipendenza, in uno stesso soggetto,
dell'effetto studiato dai parametri di esposizione, in particolare il segnale elettromagnetico
(continuo, modulato o pulsato), il SAR, l'energia totale assorbita.
Microwave thermal effects (effects causing a temperature increase of about 1o C) on
biological systems are very well known; on the contrary, a very few data exist on possible
non-thermal effects. At present they are of great interest owing to the wide diffusion of
equipment characterised by very low SAR (Specific Absorption Rate: SAR=d/dt(∆E/∆m)),
that is equipment not responsible for heating.
We started to investigate the non-thermal effects of microwave, in collaboration with the
Microwave Lab at the Electronic Engineering Department (Prof. G. D’Ambrosio). Our aim
119
- -
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 if
permanent alteration of chemical bounds, and as a consequence, direct effects on cell
biomolecules (for example DNA) can be excluded. In particular, we can hypothesise that
DNA alteration, both spontaneous or induced by microwaves, will not be repaired as usual
because of the interaction of the electromagnetic field with repair mechanism through not
known processes.
To verify this hypothesis, human lymphocytes have been exposed to microwaves.
Cytotossic effects have been studied analysing chromosome aberrations (dicentrics and
acentric fragments) in lymphocyte cultures.
Data show a possible effect, not yet
statistically significant, to be verified.
2001 Program
On the basis of the first results, and considering that the maximum specific power which
can be absorbed from cellular phone is about 1 W/kg, we will study the effects of
microwave exposure of human lymphocytes from at least ten donors and, for a given
donor, we will study the dependence of the effect under study as a function of exposure
parameters, such as the kind of electromagnetic signal, SAR, and the total absorbed
energy. Human lymphocytes will be exposed in a resonant cavity at controlled conditions
of electromagnetic field, SAR, temperature, time,..). Some of the exposed samples will be
pre-irradiated with ionising radiation to study the effects of microwave on repair
mechanism of radio-induced damage. Non irradiated samples will permit the study of
direct effects of microwave.
Pubblicazioni 2000
1)
M.Belli, M.Durante, S.Favaretto, G.Gialanella, G.Grossi, R.Marchesini, G.Moschini, M.Pugliese,
O.Sapora, P.Scampoli et al. “Inactivation of Tumo ral and Normal Human Cell irradiated with Low
Energy Protons”.Int. J. Radiat. Biol., 76 (2000) 831-840.
2)
S.Yamada, M.Durante, K.Ando, Y.Furusawa, T.Kawata, H.Majima and H.Tsujii, “Complex-type
chromosomal exchanges in blood lymphocytes during radiation therapy correlate with acute
toxicity” Cancer Lett. 150 (2000) 215-221.
3)
T.Kawata, E.Gotoh, M.Durante, H.Wu, K.George, Y.Furusawa and F.A.Cucinotta, “High-LET
radiation-induced aberrations in prematurely condensed G2 -chromosomes from human fibroblasts”.
Int. J. Radiat. Biol. 76 (2000) 929-937.
4)
P.Scampoli, M. Casale, M. Durante, G. Grossi, M. Pugliese and G. Gialanella Cell Inactivation by
Beryllium, Boron and Carbon Ions at the Low Energy Irradiation Facility of the Naples University.
1st Int. Workshop on Space Radiation Research and 11th Annual NASA Space Radiation Health
Investigators' Workshop, Arona (Italy), May 27/ 1, 2000
5)
D. Esposito, M. Durante, G. Gialanella, G. Grossi, M. Pugliese, P. Scampoli, and T.D. Jones, A
model of radiation-induced myelopoiesis in space. Ibidem
6)
M. Durante, Influence of the shielding on the space radiation biological effectiveness. Ibidem
7)
E. Crescenzi, G. Gialanella, G. Grossi, G. Palumbo, M. Pugliese, A. Sasso, P. Scampoli Effect of
space radiation on expression of apoptosis -related genes in endometrial cells: a preliminary study.
ibidem
120
- -
FISICA SANITARIA
INTEGRAZIONE DI IMMAGINI E PIANI DI TRATTAMENTO IN
RADIOTERAPIA
L. Cella *, M. Durante, G. Gialanella, G.F. Grossi, M. Pugliese *, P. Scampoli
Attività 2000
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 iniziata
l’attività progettuale e di acquisizione delle apparecchiature e delle competenze necessarie
per il trasferimento in rete, la gestione e l’analisi di immagini. E’ altresì iniziata la
collaborazione con il servizio di radioterapia del Policlinico dell’Università “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.
Tali attività sono sviluppate in collaborazione con il Dipartimento di Scienze
Biomorfologiche e Funzionali e con il Centro di servizi di Radioprotezione e Fisica
Sanitaria (CRAFS).
Programma 2001
L’attività proseguirà secondo le seguenti linee:
a. 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.
b. 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 acquiring the
equipment and expertise necessary for analysis, management and transmission through the
network of images.
We started a collaboration with the radiotherapy laboratory of the “Federico II” University
for treatment planning and a quality control programme, and we also started to collaborate
with the Health Physics Laboratory of the Istituto Scientifico Universitario S. Raffaele in
Milano for diagnostic image integration devoted to radiotherapy optimization.
All these activities are carried out in collaboration with the Department of Biomorphologic
and Functional Sciences and CRAFS (Centre for Radioprotection and Health Physics).
121
- -
2001 Program
Activities will go on as follows:
a. Diagnostic image integration for radiotherapy optimisation in particular in case of
breast and lung cancer. This will also allows the evaluation of the toxicity of radiant
treatments in order to assure a better local control of the tumour.
b. Treatment planning performed through multimodality images.
RADIOATTIVITA’ AMBIENTALE
RADIOATTIVITÀ NATURALE: RADON NEI MATERIALI E NEGLI AMBIENTI
G. Gialanella, M. Pugliese*, V. Roca*,
Attività 2000
Nell'ambito dell'attività di ricerca volta ad estendere e ad approfondire le conoscenze sulla
radioattività naturale sia degli ambienti abitati che dei materiali, nonchè a mettere a punto
le metodologie e gli strumenti necessari a raggiungere questo scopo, portata in primo
paiano dall'entrata in vigore del D.Lgs 26 maggio 2000 n. 241, è continuata presso il
laboratorio sia l'attività di misura che ha portato all' arricchimento del data base regionale,
sia la caratterizzazione dei materiali da costruzione utilizzati in Campania. Sul piano del
miglioramento delle tecniche sperimentali, è stata completata la progettazione della nuova
versione del sistema RaMonA che prevede il suo funzionamento stand-alone, cioè senza la
presenza di un computer esterno d' appoggio, ed il miglioramento della sezione analogica,
che porterà soprattutto all'aumento della risoluzione energetica. Per permettere lo studio
più accurato dell'emanazione del radon dai materiali porosi, fortemente dipendente dai
parametri ambientali, è stata effettuata la caratterizzazione della camera elettrostatica
abbinata al sistema RaMonA mediante alcune serie di misure, condotte anche presso
l'Istituto di Metrologia delle Radiazioni Ionizzanti dell' ENEA, che hanno portato a
formalizzare la dipendenza dell'efficienza dalla pressione e dalla temperatura, fortemente
correlate tra loro, e soprattutto dall'umidità. I risultati di queste misure sono anche serviti a
mettere a punto un programma di simulazione della camera, sviluppato presso il nostro
laboratorio, che ha permesso di verificare le ipotesi di interpretazione degli spettri alfa
forniti dal sistema, importanti ai fini dell'ottimizzazione dei parametri di funzionamento e,
quindi, dell'efficienza.
Programma 2001
Nel corso dell'anno si procederà alla masterizzazione ed all'assemblaggio della nuova
scheda e si procederà al suo test. Sarà implementato un nuovo algoritmo di calcolo del
campo elettrostatico nel programma di simulazione della camera di raccolta, al fine di
estendere il numero di geometrie rappresentabili.
122
- -
The database concerning the Campania region was extended with new measurements of
indoor radon levels and radon concentration and emanation from building materials.
The project of a new version of RaMonA system is ready for the card master. Main
features of this version are the stand alone running of the system, i.e. without external
CPU, and the upgrading of the analogical section of the card, which will produce a better
energy resolution.
To perform more accurate studies of radon emanation from materials, strongly dependent
on environmental parameters, the characterization of electrostatic collection chamber has
been carried out performing series of measurements, also by the Istituto di Metrologia
delle Radiazioni Ionizzanti dell' ENEA, which allowed to know the dependence of
efficiency on pressure and temperature, strongly correlated, and mainly on humidity.
Results of such measurements were also employed to test a simulation code of the
collection chamber, developed at our laboratory, adopted to test some hypotheses on the
shape of measured alpha spectra., very important to optimize the system performances and,
consequently, the efficiency.
Program 2001
The master and the assembling of new acquisition card will be carried out: after, it will be
possible to proceed with the tests. A new algorithm for the calculation of electrostatic field
in the cell will be implemented in the simulation code, with the aim to extend the number
of detector geometries which could be simulated.
RADIOATTIVITÀ ARTIFICIALE: MONITORAGGIO DELL'AMBIENTE
G. Gialanella, M. Pugliese*, V. Roca*,
Attività 2000
Oltre alle normali misure di ardioattività di routine su varie matrici ambientali, sono state
effettuate misure su sedimenti marini prelevati nel golfo di Napoli in preparazione di una
campagna di prelievi orientata a valutare l'eventuale contaminazione radioattiva del tratto
di mar Tirreno che va dalla foce del Garigliano alla penisola sorrentina.
Sono stati effettuati dei prelievi di Licheni della specie Stereocaulum Vesuvianum, tipica
del Vesuvio, che questo laboratorio sta seguendo dal 1986. Lo scopo di questo studio è la
determinazione della vita media efficace di alcuni radionuclidi in questa matrice, tipico
indicatore ed integratore biologico di inquinamento atmosferico, il cui studio che può
portare ad interessanti deduzioni sul grado di contaminazione radioattiva della Campania
negli ultimi 50 anni, già avanzate sulla base delle misure precedenti, e che possono essere
confermate dalle nuove osservazioni, almeno limitatamente al 137 Cs, unico radionuclide
gamma-emettitore, ancora misurabile.
Nell'ambito dei programmi di ottimizzazione delle tecniche di rilevamento della
radioattività ambientale coordinati dall' ANPA, il laboratorio ha partecipato ad una
campagna nazionale per la correzione dell'effetto somma in misure di spettrometria
123
- -
gamma, insieme ad altri 12 laboratori appartenenti alla rete nazionale di controllo. I
risultati sono stati presentati alla 13° Conferenza Internazionale di Metrologia dei
Radionuclidi, 14-18 maggio 2001, Braunschweig, Germania.
Programma 2001
Sarà svolta la campagna di rilevamento della radioattività artificiale sui sedimenti del golfo
di Napoli, in collaborazione con la Stazione Zoologica "A.Dohrn", che provvederà al
prelievo dei campioni di sedimento. Sarà completata l'analisi delle misure sui licheni in
collaborazione con il Dipartimento di Scienze Chimiche della facoltà di Scienze Agrarie
dell'Università Federico II, insieme al quale sono anche stati effettuati i prelievi e dove
verranno effettuate le determinazioni di carattere non-radioattivo.
Besides routine measurement on various environmental matrices, a set of radioactivity
determinations on samples of sediments of Naples gulf has been performed, with the aim
to prepare a survey of the radioactivity in the sea from Volturno river to Sorrento
peninsula. A sampling of Stereocoulon Vesuvianum lichen has been carried out, a matrix
that has been studied by our laboratory since 1986. The objective of such a study is the
determination of effective mean life of some radionuclides in this matrix, which is a well
known biological indicator and integrator of atmospheric pollution. The knowledge of this
parameter can help to reach useful information on radioactive contamination of Campania
in the past 50 years, relative to long lived nuclides, as 137 Cs, which is now still well
observed.
Our laboratory, with other twelve laboratories belonging to the national environmental
radioactivity surveillance network, took part in a campaign carried out in Italy for the
application of coincidence-summing correction in gamma-ray spectrometry. Results have
been presented at the 13th Int. Conference on Radionuclide Metrology and its Applications,
May 14-18, 2001, Braunschweig, Germany.
2001 Program
The survey of the artificial radioactivity on sediments of Naples gulf will be carried out, in
collaboration of the Stazione Zoologica "A.Dohrn", which will take care of the sample
collection. Studies on lichens will be completed, in collaboration with the Dipartimento di
Scienze Chimiche of the Faculty of Scienze Agrarie of the Università Federico II, where
non-radioactive determinations will also be carried out.
Pubblicazioni 2000
1)
M. Pugliese, G. Baiano, A. Boiano, A. D’Onofrio, V.Roca, C. Sabbarese, P.Vollaro A Compact
Multiparameter Acquisition System for Radon Concentration Studies. Conference on Low Level
Radioactivity Measurement Techniques - SCK_CEN, Mol, Belgium 18-22 October 1999 Journal of
Applied Radiation and Isotopes. 53,2 (2000)
124
- -
2)
V. Roca, A. D’Onofrio, M. Pugliese, C. Sabbarese, F. Terrasi, P.Vollaro. Radon level, emanation
and exhalation rates in building materials of Campania region (Italy). 5th Int. Conf. on High Levels
of Natural Radiation and Radon Areas: 4-7 September, 2000 Munich, Germany
3)
C. Sabbarese, A. D’Onofrio, M. Pugliese, V. Roca, F. Terrasi, P.Vollaro High levels of Radon
concentrations in the Neapolitan area . ibidem
125
- -
126
- -
FISICA SUBNUCLEARE
(Responsabile della Sezione: Prof. S. Catalanotti)
127
- -
128
- -
FISICA DELLE PARTICELLE ELEMENTARI CON
ACCELERATORI
STUDIO DELLE INTERAZIONI ELETTRONE-POSITRONE
PRESSO L'ANELLO DI ACCUMULAZIONE LEP DEL CERN
(ESPERIMENTO L3)
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 2000
L'esperimento L3 al LEP (Large Electron Positron Collider) del CERN è svolto da una
vasta collaborazione internazionale. In Italia i gruppi di ricerca coinvolti appartengono ai
Dipartimenti di Fisica e Sezioni INFN di Milano, Bologna, Firenze, Roma, Perugia,
Napoli e Salerno. L'apparato L3 si trova in una delle quattro zone d'intersezione distribuite
lungo l'anello di accumulazione di elettroni e positroni LEP. Dopo il periodo di presa dati
denominato "LEP fase 1" (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; 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
192 GeV 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 nel 2000 dai quattro esperimenti, ALEPH,
DELPHI, L3 ed OPAL, presentano una manciata di candidati all’identificazione come
bosoni di Higgs e possono essere sia preliminarmente interpretati come la prima
indicazione sperimentale dell’esistenza di questa particella, con una massa di circa
115GeV, a circa 2.7 deviazioni standard dall’ipotesi della osservazione di eventi di fondo,
ovvero usati per porre un limite inferiore di 113.2 GeV/c2 sulla massa dell’Higgs scalare
neutro previsto nel Modello Standard con 95% CL. Oltre alla ricerca di Higgs, la
sperimentazione al LEP ha avuto come scopi, tra gli altri, la verifica di precisione del
Modello Standard delle interazioni elettrodeboli, la misura accurata delle caratteristiche
dei bosoni Z e W e dei loro decadimenti, la ricerca di nuove particelle e di segnali di fisica
oltre il M.S.
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
129
- -
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.
Durante il 2000 l'attivita` del gruppo ha seguito è consistita in:
a) gestione e manutenzione del sistema di RPC,
b) controllo del sistema di acquisizione dati dell'esperimento,
c) analisi dei dati.
In particolare, l'attività di analisi dati si e' sviluppata su tre direttrici principali.
La prima e' stata la 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. Allo stesso tempo la capacita' sperimentale di
misurare la sezione d'urto di un processo altrettanto raro, con una topologia equivalente, in
particolare nel caso in cui uno dei due bosoni Z decada in quark b, costituisce una
importante prova della reale sensibilita' dell'apparato alla produzione del bosone di Higgs.
Lo studio degli eventi ZZ permette inoltre di confermare l'assenza del triplo vertice di
accoppiamento di bosoni di gauge neutri, proibito dal Modello Standard.
Il secondo filone d'analisi si collega ancora allo studio di processi rari e accoppiamenti di
bosoni di gauge. La sezione d'urto dei produzione di una coppia di fotoni ed una Z e' stata
misurata per la prima volta ed ha permesso di porre i piu' stringenti limiti sperimentali su
accoppiamenti quartici anomali tra bosoni di gauge, nel caso lo scambio di una Z in canale
s dia luogo alla configurazione rivelata.
La terza attivita' di ricerca e' stata l'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. I piu' severi limiti da acceleratori
sono stati ricavati sulla scala di questa manifestazione della gravita' quantistica.
Programma 2001-2002
Con la fine, dopo oltre un decennio, della presa dati, la collaborazione L3 e` entrata in
una nuova fase. Nel corso della prima meta` del 2001 gran parte del rivelatore sara`
smontato per lasciare posto ad un rivelatore per la prossima macchina acceleratrice del
CERN, l’LHC. In quest’ambito il gruppo di Napoli recuperera` l’elettronica che aveva
installato anni addietro ed alcune camere RPC per analizzarne il rendimento dopo una
lunga campagna di presa dati.
130
- -
La collaborazione L3 comincera` l’analisi finale dei dati raccolti al LEP che si protrarra`
per alcuni anni. Questa coprira` svariate decine d’argomenti, dalla ricerca di nuove
particelle allo studio di processi predetti dal Modello Standard e la collegata
determinazione di alcuni suoi parametri. Il gruppo di Napoli svolgera` un ruolo chiave in
questa operazione essendo coinvolto nelle analisi sopra descritte, che portera` a
compimento ed avendo anche 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 192 GeV and 202 GeV) 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 m2 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.
In 2000 the Naples group has been involved in:
Maintenance of the RPC trigger system;
Maintenance of the data acquisition system;
Physics analysis.
In particular, physics analysis has been devoted to three main items:
131
- -
Measurement of the Z pair production cross section. This channel is important as it is an
irreducible background for Higgs search. In addition, Z decays to quark b gives the
opportunity to check experimental sensitivity for Higgs search for a process with similar
topology; last but not least, ZZ events are used to study neutral triple gauge couplings, not
permitted in the S.M.
Study of rare processes and anomalous quartic gauge boson couplings.
Interpretation of LEP results in terms of extra dimensions, which are foreseen for graviton
propagation and gravity interaction at the S.M. scale. Possible solutions to the so-called
hierarchy problem are studied and limits on quantum gravity have been set.
2001-2002 Program
A new phase for the L3 experiment will start in 2001; the detector will be dismounted to
leave the site available for the LHC. Electronics and some RPC detectors will be
transferred to Naples, for post data-taking preformance analysis.
Physics analysis will continue for years, including Standard Model tests and new particle
searches.The Naples group is responsible for the coordination of a large part of the current
L3 analysis.
Pubblicazioni e congressi 2000
L3 Collaboration, M. Acciarri et al., "Measurement of the Running of the Fine-Structure Constant", Phys.
Let. B 476 (2000) 40-48
L3 Collaboration, M. Acciarri et al., "Hard-Photon Production and Tests of QED at LEP", Phys. Let. B 475
(2000) 198-205
+ L3 Collaboration, M. Acciarri et al., "Measurement of the e e -> Z gamma gamma Cross Section and
Determination of Quartic Gauge Boson Couplings at LEP", Phys. Let. B 478 (2000) 39-49
L3 Collab., M. Acciarri et al., "Search for Charginos with a Small Mass Difference to the Lightest
Supersymmetric Particle at sqrt(s) = 189 GeV", Phys. Let. B 482 (2000) 31-42
L3 Collab., M. Acciarri et al., "Measurements of Cross Sections and Forward-Backward Asymmetries at the
Z Resonance and Determination of Electroweak Parameters", European Physical Journal C 16, 1-40 (2000).
L3 Collab., M. Acciarri et al., "Inclusive Sigma+ and Sigma0 Production in Hadronic Z Decays", Phys. Let.
B 479 (2000) 79-88
L3 Collab., M. Acciarri et al., "Measurement of the Photon Structure Function at High Q2 at LEP", Phys.
Let. B 483 (2000) 373-386
L3 Collab., M. Acciarri et al., "Measurement of the Lifetime of the Tau Lepton", Phys. Let. B 479 (2000) 6778
+ L3 Collab., M. Acciarri et al., "Search for an invisibly decaying Higgs boson in e e collisions at sqrt(s)=
183-189 GeV", Phys. Let. B 485 (2000) 85-94
L3 Collab., M. Acciarri et al., "Measurements of the bbbar production cross section and forward-backward
asymmetry at centre-of-mass energies above the Z pole at LEP", Phys. Let. B 485 (2000) 71-84
L3 Collab., M.Acciarri et al., "Search for Anomalous Zzgamma and Z gamma gamma couplings in the
+ process e e -> Zgamma at LEP", Physics letters B Vol.489, 55-64 (2000)
L3 Collab., M.Acciarri et al., "QCD Studies in e+e- Annihilation from 30 GeV to 189 GeV", Physics letters
B Vol.489, 65-80 (2000)
L3 Collab., M.Acciarri et al., "Search for Manifestations of New Physics in Fermion-Pair Production at
LEP", Physics letters B Vol.489, 81-92 (2000)
L3 Collab., M.Acciarri et al., "Production of Single W Bosons at roots =189 GeV and Measurement of
Wwgamma Gauge Couplings", Physics letters B 487 (2000) 229-240
132
- -
+ -
+
-
L3 Collab., M.Acciarri et al., "Measurement of Bose-Einstein Correlations in e e -> W W at roots ~ 189
GeV", Physics letters B 493/3-4 (2000) 233-248
+ L3 Collab., M.Acciarri et al., "Determination of gamma / Z inteference in e e annihilation at LEP", Physics
letters B Vol.489, 93-101 (2000)
+ L3 Collab., M.Acciarri et al., "Measurement of the W W gamma Cross Section and Direct Limits on
Anomalous Quartic Gauge Boson Couplings at LEP", Physics letters B Vol.490, 187-195 (2000)
L3 Collab., M.Acciarri et al., "Search for anomalous couplings in the Higgs sector at LEP", Physics letters B
Vol.489, 102-114 (2000)
L3 Collab., M.Acciarri et al., "Search for a Higgs Boson Decaying into Two Photons in e+e- Interactions at
roots = 189 GeV", Physics Letters B Vol.489, 115-124 (2000)
L3 Collab., M.Acciarri et al., "Measurement of the W-pair Production Cross Section and W-Decay
+ Branching Fractions in e e Interactions at roots = 189 GeV", Physics Letters B 496 (2000) 19-33.
L3 Collab., M.Acciarri et al., "Search for Charged Higgs Bosons in e+e- Collisions at Centre-of-Mass
Energies up to 202 GeV", Physics Letters B 496 (2000) 34-42.
L3 Collab., M.Acciarri et al., "Higgs Candidates in e+e- Interactions at roots= 206.6 GeV", Physics Letters
B, Vol.495 (2000)
Salvatore Mele, "ZZ production at LEP", XXX Ichep, OSAKA, Giappone, July 2000
Salvatore Mele, "Search for extra space dimension at LEP", TRILEP, Trieste, April 2000
Salvatore Mele, "Quartic Gauge couplings at LEP", WWMM, Sesimbra, Portogallo, November 2000
Salvatore Mele, "Indirect determination of the unitarity triangle", Radcor2000, Carmel, California,
September 2000
133
- -
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, 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*, M. Severi
Attività 2000-01
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 accessibile 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 2006 ad una luminosità dell’ordine di 1033 cm-2 s-1 .
La luminosità massima di progetto della macchina (1034 cm-2 s-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.
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. Nel corso del 2000 è stato completato l’iter
amministrativo per l’aggiudicazione delle gare per la fornitura da parte dell’industria di
tutti i componenti dei rivelatori (bachelite, RPC, elettrodi di lettura, chip dell’elettronica di
Front-End, Schede di Front-End e Back-End) e sono stati costruiti, mettendo a punto tutte
le procedure, le prime tre unità. Il gruppo di Napoli ha realizzato il database di produzione
dei rivelatori in cui sono conservate le caratteristiche importanti di tutti i componenti del
134
- -
sistema. Uno dei moduli prodotti è stato trasportato nei laboratori di Napoli dove è stato
utilizzato per la messa a punto finale della stazione di test con raggi cosmici.
La lettura dei dati prodotti dai rivelatori e dal sistema di trigger e la loro trasmissione nella
sala di conteggio dell’esperimento verrà effettuata con un bus ottico parallelo ad elevata
banda passante. Il prototipo di questo sistema basato su PAROLI chipset (Siemens) è stato
sviluppato a Napoli ed è stato anche provato sotto le condizioni di irraggiamento previste
nella sala sperimentale di ATLAS.
Nell’ambito delle attività di software e computing è proseguita la collaborazione con i
gruppi di Roma1 e Roma2 per lo studio del trigger muonico di primo livello e con Roma2
e Lecce per quanto riguarda gli aspetti software specifici dei rivelatori RPC. In particolare
il gruppo di Napoli:
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.
ha avviato la progettazione e la scrittura del nuovo codice di simulazione del trigger
muonico di primo livello in linguaggio OO/C++.
ha effettuato studi preliminari per la realizzazione di una farm di calcolo locale quale
prototipo di Tier-3 secondo il modello di calcolo a struttura gerarchica adottato dalle
collaborazioni LHC.
Programma 2001-02
Nella seconda metà del 2001 e nel 2002 il gruppo di Napoli porterà avanti le seguenti
attività:
Entro luglio 2001 saranno completati altri 24 moduli del rivelatore. Questa fase servirà a
definire nei minimi dettagli le fasi di assemblaggio e permetterà di provare le strutture
meccaniche che dovranno essere utilizzate per il trasporto ed il test degli oltre 1000 moduli
da produrre nei prossimi 3 anni.
Avvio della produzione di massa di tutti i rivelatori e certificazione della loro qualità
mediante test con i raggi cosmici.
Realizzazione del prototipo di scheda in standard VME64X contenete quattro ricevitori del
sistema di trasmissione ottico parallelo. Lo sviluppo ed il test di questo modulo
costituiranno un ulteriore passo verso la definizione finale del sistema di lettura dati.
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.
Inizio della installazione di una farm di processori che sarà il nucleo di un Tier3 che sarà
parte integrante del sistema di calcolo distribuito previsto per ATLAS. Parte di queste
attività sono svolte in collaborazione con il programma “Tier3 Atlas: realizzazione di una
farm di calcolo locale come prototipo di Tier3 per l’esperimento Atlas“ finanziato su fondi
di ricerca dipartimentali.
135
- -
2000-01 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 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 2006 at a luminosity of 1033 cm-2 s-1 .
The maximum machine luminosity (1034 cm-2 s-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 low-pt (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.
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. During 2000 administrative procedures for tenders have been
completed for all detector components (bakelite, RPC, readout electrodes, Front-End
chips, Front-End PC boards). The assembly of the first three modules has been completed
finalizing all mounting procedures. The Naples group has prepared the detector production
database in which all information about components characteristics are stored. One of the
modules has been transported in our laboratory where it has been used to complete the
setup of the cosmic rays test station.
Readout of data from the detectors and the trigger system and their transmission to the
experiment counting room will be implemented by an optical parallel data link with high
bandwidth. The prototype of this system, based on the PAROLI chipset (Siemens), has
been built in Naples and it has also been tested under radiation conditions similar to those
foreseen in the ATLAS cavern.
136
- -
On software and computing activities the collaboration with the groups of Rome1 and
Rome2 to study the muon trigger and the groups of Rome2 and Lecce on software aspects
specific of the RPCs has continued. The Naples group has:
1) Been responsible for the continuous upgrade of the RPC detector layout description in
order to optimize trigger efficiencies at low and high pT .
2) Started the OO/C++ code production for the trigger simulation program
3) Done preliminary studies to set-up a local computing farm as Tier3 prototype,
according to the worldwide distributed computing model adopted by LHC
collaborations.
2001-02 Program
During the second half of 2001 and during 2002 the group will:
Before July 2001 other 24 detector units will be completed. This phase of production will
be used to finalize all details of the assembly phase and will allow to test the mechanical
structures which will be used to transport and test the over 1000 modules which have to be
produced in the following 3 years.
Start of mass production of all the detectors and their quality control using the cosmic rays
test stations.
Construction of a prototype board in VME64X standard that will house four receivers of
the optical link. The test of this board will be an important test towards the finalization of
the readout system.
Development of simulation code for the muon level one trigger with new OO/C++ code,
for event reconstruction and calibration of RPCs.
Set-up of a processors farm which will be the core of a Tier3, an integral part of the
worldwide distributed computing ATLAS system. Part of this activities is done in
collaboration with the research program “ Tier3 Atlas: set-up of a local computing farm as
prototype of a Tier3 for the ATLAS experiment“ funded on Department research funds.
137
- -
TIER-3 ATLAS: REALIZZAZIONE DI UNA FARM DI CALCOLO LOCALE COME
PROTOTIPO DI TIER-3 PER L'ESPERIMENTO ATLAS
G.P. Carlino*, G. Chiefari, F. Conventi, D. Della Volpe*, A. Doria*, S. Mele*, L.Merola
Attività 2000 e Programma 2001
Il programma di ricerca, nel quale è confluito il programma precedente "HIGGS", si
inserisce nell'ambito della sperimentazione presso il futuro collisore adronico LHC al
CERN che inizierà a prendere dati nel 2005.
Le vaste collaborazioni internazionali coinvolte nei programmi ad LHC hanno avviato le
costruzioni degli apparati sperimentali e sono attualmente anche impegnate nella
definizione finale dei sistemi di trigger, di acquisizione dati e ricostruzione software degli
eventi che, data l'alta luminosità di progetto della macchina (10**34 cm-2 s-1), con
interazioni ogni 25 ns, richiedono l'uso di apparati al limite delle odierne capacità
tecnologiche.
I partecipanti al presente progetto sono già inseriti nell'esperimento ATLAS dove si
occupano specificamente dello studio e della simulazione del trigger di primo livello per i
muoni ed intendono realizzare una Farm di calcolo locale (un server più una decina di
nodi tipo PIII 800 MHz e 500 GB di disco), che costituirà un prototipo di Tier-3 (Terzo
livello gerarchico). Nella struttura gerarchica che caratterizza il modello di calcolo
adottato dagli esperimenti a LHC sono previsti 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 alcuni Tier-2 (Roma e Milano per ATLAS) quali livelli intermedi regionali.
L'organizzazione dei Tier-3 è lasciata interamente ai gruppi di ricerca locali.
E' rilevante sottolineare che una tale realizzazione consentirà 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 (vedi il progetto INFN-GRID), ma anche il mondo
produttivo ed industriale.
I sistemi di trigger e di acquisizione dati sono basati su vari livelli di selezione in linea
degli eventi per passare da 40 MHz di frequenza di incrocio dei fasci a circa 100 Hz
previsti per l'immagazzinamento dei dati su memoria permanente.
Il Livello 1, in particolare, deve ridurre la frequenza degli eventi a crica 100 KHz,
prendendo decisioni in tempi dell'ordine di 2 microsecondi, applicando quindi un fattore di
reiezione complessivo di circa 3 ordini di grandezza sugli eventi di fondo, senza rigettare
gli eventi che contengono muoni ad alto impulso trasverso (si richiedono almeno 5-6
GeV/c o in alcuni casi almeno 20 GeV/c) nello stato finale. Ciò sarà cruciale per la
selezione di eventi di particolare interesse fisico quali quelli di produzione del bosone di
Higgs e successivo decadimento in 4 muoni.
Per raggiungere gli scopi prefissati sarà necessario effettuare una grande mole di
simulazioni di eventi di fondo per realizzare i migliori algoritmi di selezione che saranno
eseguiti dall'elettronica di trigger di primo livello durante il processamento, mentre i dati
saranno conservati temporaneamente in memorie pipeline. Per ogni evento accettato, solo
un selezionato numero di informazioni saranno passate al Livello 2: per gli oggetti locali,
138
- -
quali muoni e cluster elettromagnetici, si tratta delle posizioni e dell'impulso trasverso,
caratterizzanti le cosiddette Regioni di interesse, che saranno analizzate da parte dei trigger
di livello superiore.
Il programma è stato avviato nel 2000 e proseguirà nel 2001.
2000 Activity Report and 2001 Program.
This project, which now includes the project "HIGGS", refers to the LHC experimentation
which is expected to start in 2005.
At present the LHC collaborations are deeply involved in the detector developmenta nd
construction and in the definition of the trigger and data acquisition system requirements.
Very high technological solusions are needed, due to the high expected machine
luminosity (10**34 cm-2 s-1), with 25 ns bunch crossing time.
The main goal of this project is the realization of a local computing farm (one CPU server
and ten computing nodes PIII 800 MHz, with 500 GB disk) which will constitute a
prototype of a so-called Tier-3. Consider that the Tier-0 will be at CERN, two Tier-2 will
be located in Rome and Milan.
This project intends also to exploit the GRID tools at national (see the INFN-GRID
project) and at international level.
The trigger system is organized in three different levels, which have to reduce the data
flow from the 40 MHz at interaction stage down to about 100 Hz at DAQ level. This
means that a huge reduction factor must be applied in order to have at last only the most
interesting physics events.
Among them we want to simulate and to study the production of the Higgs boson and its
decay to four muons. This part of the project was the main goal of the project "HIGGS",
which implies also the detailed study and optimization of the algorithms for the level-1
muon trigger system.
The project started in 2000 and will continue in 2001, according to the plans.
Pubblicazioni 2000.
INFN-GRID Collaboration, "A Computational and Data Challenge for Future INFN Experiments; a GRID
approach", INFN Report.
139
- -
STUDIO DELLA VIOLAZIONE DI CP NEL DECADIMENTO DEI MESONI K
PRESSO L'ACCELERATORE DAFNE DEI LABORATORI NAZIONALI DI
FRASCATI DELL'INFN (ESPERIMENTO KLOE)
Aloisio, F. Ambrosino, F. Cevenini, G. Chiefari, C. Di Donato, A. Doria, L. Merola, M. Napolitano, G.
Pirozzi, G. Saracino.
Attività 2000
Uno dei principali obiettivi dell'esperimento KLOE è la misura di precisione del parametro
di violazione diretta di CP ℜ{ε`/ε}. Altre importanti misure possono essere effettuate con
campioni di K neutri e carichi e nella fisica dei decadimenti radiativi della φ.
Durante l'anno 2000 KLOE ha raccolto circa 30 pb-1 , la cui analisi è attualmente in corso.
In particolare i contributi più importanti del gruppo di Napoli in KLOE sono stati:
• Ottimizzazione del sistema di run control e di monitoraggio online
• Ottimizzazione delle procedure di identificazione veloce dei decadimenti φ → K+
K - e KS → π 0 π 0
• Studio e ottimizzazione della ricostruzione di tracce cariche nella camera a deriva
• Attività di controllo della qualita dei dati e della loro ricostruzione
• Coordinamento del gruppo di analisi della fisica dei K nei canali non di violazione
di CP
• Studio delle sistematiche per la misura di violazione di CP attraverso i decadimenti
KL → π + π - π 0
• Studi per la misura dell’angolo di mixing η η’ attraverso la misura dei branching
ration φ → η γ e φ → η’ γ
• Studi per la misura del BR assoluto del decadimento φ → η’ γ
• Studi per la misura del BR assoluto del decadimento K± → e± π 0 υ
• Studi per la misura delle slope lineari nei decadimenti semileptonici del KL e K±
Il gruppo ha partecipato attivamente alla raccolta, ricostruzione ed analisi dei dati.
Programma 2001
Le analisi dei dati acquisiti nel 2000 saranno portate a termine. Per il 2001 è prevista la
raccolta di ~ 200 pb-1 , con i quali sarà possibile effettuare una misura preliminare di
ℜ{ε`/ε}. Potranno inoltre essere effettuate molte misure di precisione in numerosi canali
di decadimento della φ e dei K.
2000 Activity
One of the main goal of the KLOE experiment is the ℜ{ε`/ε} direct CP violation
parameter measurement. Other relevant measurements can be obtained with neutral and
charged kaon samples and in the field of φ radiative decays. During the 2000 year KLOE
acquired a sample of ~ 30 pb-1 . The main contributions from the Napoli Group have been
• Run control and online monitoring optimization
140
- -
•
•
•
•
•
Fast identification of φ → K+ K- and KS → π 0 π 0 decays optimization
Study and optimization of charged tracks reconstruction
Data quality and reconstruction supervision
Coordination of analyses group concerning the non CP violation of kaon
Study of the systematics concerning the CP violation using KL → π + π - π 0 decays
•
•
•
•
•
Study of the measurement of linear slopes in K L e K ± semileptonic decays
Study of the mixing angle η η’ by using φ → η γ e φ → η’ γ branching rations
Study of the absolute BR measurement of φ → η’ γ decays
Study of the absolute BR measurement of K± → e± π 0 υ
Study of the measurement of linear slope in KL and K± semileptonic decays
2001 Program
The 2000 data sample will be analysed. For the 2001 ~ 200 pb-1 are foreseen to be
acquired. With this sample a preliminary measurement of ℜ{ε`/ε} is possible. Many other
precision measurement will be done for φ and K decays.
Pubblicazioni e comunicazioni a congressi 2000
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
G.Pirozzi, M.Incagli et al, “The Event Classification procedures”, KLOE internal memo n. 225
G. Pirozzi, “Current version of the KS → π0 π0 ECL filter”
The KLOE collaboration, “KLOE first results on hadronic physics” Contributed paper n.220 to
ICHEP2000 - Osaka
The KLOE collaboration, “First Results from φ → KL KS Decays with the Kloe Detector”,
Contributed paper n.214 to ICHEP2000 - Osaka
The KLOE Collaboration, “NOVEL Daq and Trigger Method for the Kloe Experiment”
Contributed paper n.224 to ICHEP2000 - Osaka
The phi-decays working group, “NOVEL Daq and Trigger Method for the Kloe Experiment”
The phi-decays working group, “KLOE first results on hadronic physics” , KLOE internal memo
n. 212
141
- -
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 2000
Il programma sperimentale è svolto in collaborazione con numerose istituzioni italiane,
europee ed extraeuropee, presso l'acceleratore PEP II di SLAC (Stanford, California).
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.
Durante il 2000 l’esperimento BaBar ha avuto nove mesi di presa dati ed ha raggiunto
notevoli risultati, raccogliendo oltre 10 milioni di decadimenti della risonanza Y(2S).
Nella parte finale dellànno, il gruppo e` stato pesantemente coinvolto nella sostituzione di
una parte dei rivelatori RPC, che hanno dimostrato alcune criticita` e fenomeni di
invecchiamento legati alle procedure industriali di produzione ed allèffetto della elevata
temperatura presente nella sala sperimentale, priva di condizionamento termico. Inoltre, in
vista del programma di migliorie dellàpparato, il gruppo ha completato uno studio
accurato, con simulazione di Monte Carlo, di varie configurazioni con sostanziale aumento
dello spessore di assorbitore.
Programma 2001
Lànno 2001 vedra` 12 mesi di presa dati, assieme allànalisi degli eventi raccolti.
142
- -
The experimental program is done in collaboration with many Italian, European and nonEuropean institutes, at the PEP II accelerator at SLAC (Stanford, California).
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 matix 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. Our group is
also involved in the analysis of various physics channels.
During year 2000, Babar had a 9 month period of data taking, collecting more than 10
million Y(2S) decays, with relevant results as reported in the following bibliography.
In the final part of year 2000, our group has been heavily involved in the replacement of
part of RPC detectors, which have shown some critical aspects and aging phenomena,
related to industrial production procedures and to the damaging effect of the high
temperature present in the experimental hall, with no air conditioning.
Moreover, in view of a possible upgrade, our group has completed a detailed study, by
Monte Carlo simulation, of various configurations with substantial increase of iron
absorber.
2001 Program
Data collection will continue for the whole year and all the relevant physics events will be
analysed.
143
- -
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18)
19)
20)
P. Paolucci , N. Cavallo, F. Fabozzi, D. Piccolo, “THE IFR ONLINE DETECTOR CONTROL
AT THE BABAR EXPERIMENT AT SLAC” Nucl.Instrum.Meth.A456:137-139,2000
F. Anulli, S. Bagnasco, R. Baldini, H.R.. Band, R.M.. Bionta, A. Buzzo, N. Cavallo, R. Contri, G.
Crosetti, G. De Nardo, R. De Sangro, F. Fabozzi, D. Falciai, C. Gatto, J.R.. Johnson , L. Lista, M.
Lo Vetere, M. Macri', R. Monge, M.J.. Mugge, A. Palano , M. Pallavicini, P. Paolucci, S. Passaggio,
C. Patrignani, I. Peruzzi , M. Piccolo, D. Piccolo, E. Robutti, A. Santroni , C. Sciacca , K. van
Bibber, D.M.. Wright , Z. Yu and A. Zallo, “THE BABAR RPC SYSTEM”,
Nucl.Instrum.Meth.A456:117-120,2000
G.Abrams. P. Paolucci et al., “THE DETECTOR CONTROL SYSTEM FOR BABAR”, IEEE
Trans.Nucl.Sci.47:181-185,2000
P.Paolucci, N.Cavallo, F.Fabozzi, D. Piccolo, “THE IFR ONLINE DETECTOR CONTROL
SYSTEM AT THE BABAR EXPERIMENT“, IEEE Trans.Nucl.Sci.47, vol. 2:192, 2000
J. Olsen, G. Abrams, S. Allison, P. Anthony, D. Kirkby, S. Lewis, C. Lionberger, T. Meyer, M.
Morandin, P. Paolucci, G. Vasileiadis, G. Zioulas, “BABAR ONLINE DETECTOR
CONTROL”, CHEP 2000, Computing in high energy and nuclear physics, 322-325
G. De Nardo, L. Lista, “OBJECT ORIENTED DESIGN OF PARTICLE IDENTIFICATION
SOFTWARE FOR INSTRUMENTED FLUX RETURN SUBSYSTEM OF THE BABAR
DETECTOR”, CHEP 2000, Computing in high energy and nuclear physics, 37-40
G. De Nardo, F. Fabozzi and L.Lista, “OBJECT ORIENTED RECONSTRUCTION FOR THE
INSTRUMENTED FLUX RETURN OF BABAR”, DSF/INFN-NA 15/2000, accepted for
Nucl.Instrum.Meth.
G. De Nardo, F.Fabozzi, L.Lista et al., “MUON IDENTIFICATION IN THE BABAR
EXPERIMENT” BABAR Analysis Document 60
BaBar Collaboration, “FIRST RESULTS FROM BABAR”, La Thuile 2000, Results and
perspectives in particle physics, 345-357
BaBar Collaboration ,”FIRST MEASUREMENT OF THE CP VIOLATING ASYMMETRIES
WITH BABAR”, SLAC-PUB-8738, Nov 2000. 5pp. DPF 2000: Meeting of Div. of Part. and
Fields of the APS, Columbus, Ohio, 9-12 Aug 2000. e-Print Archive: hep-ex/0101054
BABAR Collaboration, ”THE FIRST PHYSICS RESULTS FROM BABAR”, SLAC-PUB-8748,
Sep 2000. 20pp. Nucl.Phys.Proc.Suppl.99:135-147,2001 e-Print Archive: hep-ex/0101004
BABAR Collaboration, ”THE FIRST YEAR OF THE BABAR EXPERIMENT AT PEP-II”,
SLAC-PUB-8539, Dec 2000. 45pp. High-Energy Physics (ICHEP 2000), Osaka, Japan, 27 Jul - 2
Aug 2000. e-Print Archive: hep-ex/0012042
BABAR Collaboration, ”B DECAYS TO FINAL STATES INCLUDING D(*)(S) AND D*”,
SLAC-PUB-8733, Dec 2000. 5pp. DPF 2000: Meeting of Div. of Part. and Fields of the APS,
Columbus, Ohio, 9-12 Aug 2000. e-Print Archive: hep-ex/0012027
BABAR Collaboration, ”FIRST PHYSICS RESULTS AT BABAR”, SLAC-PUB-8727, Dec
2000. 10pp. 5th Workshop on Heavy Quarks at Fixed Target , Rio de Janeiro, Brazil, 9-12 Oct
2000. e-Print Archive: hep-ex/0012005
BABAR Collaboration, ”PHYSICS RESULTS FROM BABAR AND PROSPECTS”, SLACPUB-8724, Nov 2000. 12pp.
Nucl.Phys.Proc.Suppl. 99:241-249,2001 e-Print Archive: hepex/0011100
BABAR Collaboration, ”B DECAYS TO D(*)(S) AND D*” SLAC-PUB-8692, Aug 2000. 4pp.
30th Int. Conf. on High-Energy Physics (ICHEP 2000), Osaka, Japan, 27 Jul - 2 Aug 2000. ePrint Archive: hep-ex/0011096
BABAR Collaboration, ”FIRST RESULTS IN EXCLUSIVE RADIATIVE PENGUIN
DECAYS AT BABAR” SLAC-PUB-8709, Aug 2000. 4pp. 30th Int. Conf. on High-Energy
Physics (ICHEP 2000), Osaka, Japan, 27 Jul - 2 Aug 2000. e-Print Archive: hep-ex/0011054
BABAR Collaboration, ”CHARMLESS HADRONIC B DECAYS AT BABAR”, SLAC-PUB8695, Nov 2000. 6pp. DPF 2000: Meeting of Div. of Part. and Fields of the APS, Columbus, Ohio,
9-12 Aug 2000. e-Print Archive: hep-ex/0011031
BABAR Collaboration, ”FIRST CP VIOLATION RESULTS FROM BABAR”.SLAC-PUB8698, Aug 2000. 19pp. 30th Int.Conf. on High-Energy Physics (ICHEP 2000), Osaka, Japan, 27 Jul
- 2 Aug 2000. e-Print Archive: hep-ex/0011024
BABAR Collaboration, ”STUDIES OF CHARMLESS TWO BODY, QUASITWO BODY AND
THREE BODY B DECAYS” SLAC-PUB-8696, Aug 2000. 4pp. 30th Int.Conf. on High-Energy
Physics (ICHEP 2000), Osaka, Japan, 27 Jul - 2 Aug 2000. e-Print Archive: hep-ex/0011018
144
- -
21) BABAR Collaboration, ”PRELIMINARY BABAR RESULTS ON B0 MIXING WITH
DILEPTONS AND ON LIFETIME WITH PARTIALLY RECONSTRUCTED B0
DECAYS”,.SLAC-PUB-8697, Aug 2000. 4pp. 30th Int. Conf. on High-Energy Physics (ICHEP
2000), Osaka, Japan, 27 Jul - 2 Aug 2000. e-Print Archive: hep-ex/0011010
22) BABAR
Collaboration,
”B
LIFETIME
MEASUREMENTS
WITH
EXCLUSIVELY
RECONSTRUCTED B DECAYS ”, SLAC-PUB-8678, Oct 2000. 4pp. DPF 2000: Meeting of Div.
of Part. and Fields of the APS, Columbus, Ohio, 9-12 Aug 2000. e-Print Archive: hep-ex/0011007
23) BABAR Collaboration, ”A STUDY OF B0 - ANTI-B0 OSCILLATIONS WITH FULL
RECONSTRUCTED B MESONS WITH THE BABAR DETECTOR” SLAC-PUB-8690, Nov
2000. 4pp. DPF 2000: Meeting of Div. of Part. and Fields of the APS, Columbus, Ohio, 9-12 Aug
24) BABAR Collaboration, ”FIRST YEAR OF THE BABAR EXPERIMENT DATA TAKING”,
SLAC-PUB-8622, Jun 2000. 11pp. 20th Physics in Collision Conf., Lisbon, Portugal, 29 Jun - 1 Jul
25) BABAR Collaboration, ”SEARCH FOR B+ ---> K+ LEPTON+ LEPTON- AND B0 ---> K*0
LEPTON+ LEPTON-“ SLAC-PUB-8684, . Oct 2000. 4pp. DPF 2000: Meeting of Div. of Part.
and Fields of the APS, Columbus, Ohio, 9-12 Aug 2000. e-Print Archive: hep-ex/0010071
26) BABAR Collaboration, ”MEASUREMENTS OF INCLUSIVE AND EXCLUSIVE B DECAYS
TO CHARMONIUM WITH BABAR”, SLAC-PUB-8679, Aug 2000. 4pp. 30th Int. CONF. on
High-Energy Physics (ICHEP 2000), Osaka, Japan, 27 Jul - 2 Aug 2000. e-Print Archive: hepex/0010067
27) BABAR Collaboration, ”MEASUREMENT OF B0 AND B+- LIFETIMES AND B0 - ANTI-B0
MIXING WITH FULLY RECONSTRUCTED B DECAYS IN BABAR”, SLAC-PUB-8625,
Sep 2000. 7pp. 30th Int. Conf. on High-Energy Physics (ICHEP 2000), Osaka, Japan, 27 Jul - 2
28) BABAR Collaboration, ”A MEASUREMENT OF THE CHARGED AND NEUTRAL B
MESON LIFE-TIMES USING FULLY RECONSTRUCTED DECAYS”, SLAC-PUB-8529,
Aug 2000. 22pp. 30th Int. Conf. on High-Energy Physics (ICHEP 2000), Osaka, Japan, 27 Jul - 2
29) BABAR Collaboration, ”SEARCH FOR B+ ---> K+ LEPTON+ LEPTON- AND B0 ---> K*0
LEPTON+ LEPTON-, SLAC-PUB-8538, Jul 2000. 18pp. 30th Int. Conf. on High-Energy Physics
(ICHEP 2000), Osaka, Japan, 27 Jul - 2 Aug 2000. e-Print Archive: hep-ex/0008059
30) BABAR Collaboration, ”MEASUREMENTS OF CHARMLESS THREE BODY AND
QUASITWO BODY B DECAYS ”, SLAC-PUB-8537, Jul 2000. 21pp. 30th Int. Conf. on HighEnergy Physics (ICHEP 2000), Osaka, Japan, 27 Jul - 2 Aug 2000. e-Print Archive: hep-ex/0008058
31) BABAR Collaboration, ”MEASUREMENT OF BRANCHING FRACTIONS FOR TWO
BODY CHARMLESS B DECAYS TO CHARGED PIONS AND KAONS AT BABAR” SLACPUB-8536, Jul 2000. 21pp. 30th Int. Conf. on High-Energy Physics (ICHEP 2000), Osaka, Japan,
27 Jul - 2 Aug 2000. e-Print Archive: hep-ex/0008057
32) BABAR Collaboration, ”STUDY OF INCLUSIVE D(*)+-(S) PRODUCTION IN B DECAYS
AND MEASUREMENT OF B0 ---> D*- D(*)+(S) DECAYS USING A PARTIAL
RECONSTRUCTION TECHNIQUE”, SLAC-PUB-8535, Jul 2000. 21pp. 30th Int. Conf. on
High-Energy Physics (ICHEP 2000), Osaka, Japan, 27 Jul - 2 Aug 2000. e-Print Archive: hepex/0008056
33) BABAR Collaboration, ”A MEASUREMENT OF THE BRANCHING FRACTION OF THE
EXCLUSIVE DECAY B0 ---> K*0 GAMMA” SLAC-PUB-8534, Aug 2000. 14pp. 30th Int.
Conf. on High-Energy Physics (ICHEP 2000), Osaka, Japan, 27 Jul - 2 Aug 2000.e-Print Archive:
hep-ex/0008055
34) BABAR Collaboration, ”MEASUREMENT OF THE TIME DEPENDENCE OF B0 - ANTI-B0
OSCILLATIONS USING INCLUSIVE DILEPTON EVENTS” SLAC-PUB-8532, Aug 2000.
17pp. 30th Int. Conf. on High-Energy Physics (ICHEP 2000), Osaka, Japan, 27 Jul - 2 Aug 2000. ePrint Archive: hep-ex/0008054
35) BABAR Collaboration, ”MEASUREMENT OF THE B0 MESON PROPERTIES USING
PARTIALLY RECONSTRUCTED B0 TO D*- PI+ AND B0 TO D*- LEPTON+ LEPTON
NEUTRINO DECAYS WITH THE BABAR DETECTOR” SLAC-PUB-8531, Jul 2000. 20pp.
30th Int. Conf. on High-Energy Physics (ICHEP 2000), Osaka, Japan, 27 Jul - 2 Aug 2000. e-Print
Archive: hep-ex/0008053
145
- -
36) BABAR Collaboration, ”A MEASUREMENT OF THE B0 - ANTI-B0 OSCILLATION
FREQUENCY AND DETERMINATION OF FLAVOR TAGGING EFFICIENCY USING
SEMILEPTONIC AND HADRONIC B0 DECAYS ”, SLAC-PUB-8530, Aug 2000. 36pp. 30th
Int. Conf. on High-Energy Physics (ICHEP 2000), Osaka, Japan, 27 Jul - 2 Aug 2000. e-Print
37) BABAR Collaboration, ”MEASUREMENT OF THE BRANCHING FRACTIONS FOR B0 --> D*- PI+ AND B0 ---> D*- RHO+” SLAC-PUB-8528, Jul 2000. 14pp. 30th Int. Conf. on HighEnergy Physics (ICHEP 2000), Osaka, Japan, 27 Jul - 2 Aug 2000. e-Print Archive: hep-ex/0008051
38) BABAR Collaboration, ”EXCLUSIVE B DECAYS TO CHARMONIUM FINAL STATES ”,
SLAC-PUB-8527, Jul 2000. 18pp. 30th Int. Conf. on High-Energy Physics (ICHEP 2000), Osaka,
Japan, 27 Jul - 2 Aug 2000. e-Print Archive: hep-ex/0008050
39) BABAR
Collaboration,
”MEASUREMENT
OF
INCLUSIVE
PRODUCTION
OF
CHARMONIUM STATES IN B MESON DECAYS” SLAC-PUB-8526, Jul 2000. 15pp. 30th
Int. Conf. on High-Energy Physics (ICHEP 2000), Osaka, Japan, 27 Jul - 2 Aug 2000. e-Print
40) BABAR
Collaboration,
”A STUDY OF TIME DEPENDENT CP VIOLATING
ASYMMETRIES IN B0 ---> J / PSI K0(S) AND B0 ---> PSI(2S) K0(S) DECAYS ” SLAC-PUB8540, Aug 2000. 31pp. 30th Int. Conf. on High-Energy Physics (ICHEP 2000), Osaka, Japan, 27
Jul - 2 Aug 2000. e-Print Archive: hep-ex/0008048
41) BABAR Collaboration, ”BABAR: B-PHYSICS POTENTIALS AND PROSPECTS”
42) BABAR Collaboration, ”FIRST DATA FROM THE BABAR EXPERIMENT AT PEP II”,
43) BABAR Collaboration, ”PERFORMANCE OF THE BABAR DETECTOR”, SLAC-PUB-8440,
Aug 2000. 5pp. 7th Conf. on Intersections Between Particle and Nuclear Physics (CIPANP 2000),
Quebec City, Quebec, Canada, 22-28 May 2000.
146
- -
FISICA DEL NEUTRINO
RICERCA DI OSCILLAZIONI DI NEUTRINI ALL'SPS DEL CERN
(ESPERIMENTO CHORUS)
S. Buontempo*, L. Castagneto, 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*,
R. Peluso*, C. Pistillo*, P. Strolin, V. Tioukov*
Scopo dell’esperimento è la ricerca 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.
L’alta sensibilità è possibile grazie a:
un’alta efficienza di reiezione di eventi di fondo dovuti a neutrini muonici, dovuta una
forte segnatura (l’osservazione in emulsioni della corta traccia del leptone tau prima del
suo decadimento) per il decadimenti del leptone tau prodotti a seguito dell’ interazione del
neutrino tauonico nelle emulsioni;
la grande massa di emulsioni (800 kg), utilizzate come bersaglio attivo;
l’alta intensità del fascio di neutrini muonici WBB dell’SPS del CERN;
importanti progressi nelle tecniche di scanning automatico delle emulsioni nucleari.
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. Un complesso di rivelatori di tipo elettronico serve per la
definizione temporale degli eventi, per agevolare la ricerca del vertice degli eventi nelle
emulsioni bersaglio.e per contribuire all’analisi cinematica degli eventi candidati.
L’apparato è completato da tracciatori ad alta risoluzione, costituiti da emulsioni. Il
calorimetro ad alta risoluzione in energia adronica è stato progettato e realizzato dai gruppi
di Napoli, Roma e Ferrara. Le prestazioni del calorimetro sono risultate in accordo con i
parametri di progetto.
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. Essa profitterà sia
delle nuove metodologie sviluppate per l’analisi nelle emulsioni che di un miglioramento
del software e permetterà di raggiungere la sensibilità di progetto nella ricerca di
oscillazioni.
L’Analisi Fase 2 renderà inoltre possibile lo studio di canali esclusivi di produzione e
decadimento di charm in interazioni di neutrino, con una statistisca di oltre un ordine di
grandezza superiore a quella di precedenti esperimenti. Una collaborazione con ricercatori
teorici del Dipartimento di Scienze Fisiche e dell’INFN di Napoli ha portato a
pubblicazioni su nuovi metodi di indagine sperimentale nel campo della fisica del charm.
147
- -
Il gruppo di Napoli è impegnato nell’analisi delle emulsioni con microscopi automatici e
semiautomatici. Tali microscopi sono dispositivi di avanguardia. A Napoli sono stati
localizzati in emulsioni poco più di 11400 eventi, circa il 10% di quelli globalmente
localizzati, contribuendo all’ottenimento dei risultati di fisica sopra esposti.
2000 Activity Report and 2001 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 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.
CHORUS makes use of a hybrid detector, consisting of a large-mass nuclear emulsion
target and of electronic detectors, among which a lead/scintillatoing fibre calorimeter
designed and built by the groups of Ferrara, Napoli and Roma.
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 will exploit the new 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, with a statistics more
than one order of magnitude larger than previous experiments. A collaboration with the
Napoli theory group on the study of charm production in neutrino interactions has lead to
publications of results on new experimental methods.
The group of Napoli is involved in emulsion scanning with automatic and semi automatic
microscopes. About 11400 events have been localised in the emulsion, amounting to 10%
of the total statistics so far used for publication.
1)
2)
3)
4)
5)
Eskut, E ; et al. - CHORUS Collaboration., “Observation of weak neutral current neutrino
production of J/ψ”, CERN-EP-2000-154 ; Geneva : CERN , 13 Dec 2000., Publ. Ref.: Phys. Lett.
B 503 (2001)1-9
Eskut, E ; et al. - CHORUS Collaboration., “New results from a search for υ µ <--> υ τ and υ e <-->
υ τ $ oscillation”, CERN-EP-2000-147 ; Geneva : CERN , 10 Nov 2000. , Subm. to: Phys. Lett., B
Doucet, M ; - CHORUS Collaboration., “Status of the CHORUS experiment”, In: Phys. At. Nucl.
: 63 (2000) no.7, pp.1119-21
P. Migliozzi et al., “A search for Z-prime in muon neutrino associated charm production”, Phys.
Lett. B494 (2000) 19-25.
Meyer, J P ; “Review of recent results from NOMAD and CHORUS ”; In: Nucl. Phys. B, Proc.
Suppl. : 87 (2000) , pp.309-11 -
148
- -
6)
7)
8)
9)
Radicioni, E ; “Results from the CHORUS experiment at CERN”; In: Nucl. Phys. B, Proc.
Suppl. : 85 (2000) , pp.95-100 Aoki, S ; et al., “Nuclear emulsions in a large, hybrid experiment (CHORUS) to search for υ µ
<--> υ τ oscillations”, In: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., A : 447 (2000) no.3, pp.361-76 Righini, P ; - CHORUS Collaboration., “Recent results from the CHORUS experiment”, In:
14th Lake Louise Winter Institute : Electroweak Physics, Lake Louise, Alberta, Canada, 14 - 20 Feb
1999 / Ed. by Astbury, A ; Campbell, B A ; Khanna, F C ; Pinfold, J L and Vincter, M G - World
Sci., Singapore, 2000. - - pp.492-500
Gorbunov, P ; - CHORUS Collaboration., “A search for υ µ <--> υ τ oscillations by CHORUS at
CERN”, In: Nucl. Phys., A : 663-664 (2000) , pp.807-10 -
RICERCA DI OSCILLAZIONI NEUTRINO-MU NEUTRINO-TAU CON UN
ESPERIMENTO “LONG BASELINE” SUL FASCIO CNGS
DAL CERN AL GRAN SASSO (ESPERIMENTO OPERA)
S. Buontempo*, L. Castagneto, 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*,
R. Peluso*, C. Pistillo*, P. Strolin, V. Tioukov*
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
Super-Kamiokande.
Il rivelatore è basato sulla tecnica ECC, un sandwich massiccio di piani di piombo e lastre
di emulsione, utilizzate come elementi traccianti ad alta risoluzione spaziale.
Gli elementi del bersaglio sono detti "bricks", mattoni, ed hanno la caratteristica di poter
essere 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 circa 235000 mattoni,
assemblati in piani a loro volta raggruppati in super-moduli, ciascuno equipaggiato con
uno spettrometro magnetico per muoni. Il rivelatore è composto in totale da tre
supermoduli, per una massa di circa 2000 tonnellate.
Nell'anno 2000 l'esperimento è stato nella fase di progettazione, con l'obiettivo di produrre
la Proposta, che è stata presentata ai competenti Comitati Scientifici nel Luglio 2000. In
Settembre l’esperimento è stato raccomandato per l'approvazione dal SPSC e dal Comitato
Scientifico dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso.
La Collaborazione include ora, oltre ai gruppi italiani di Bari, Bologna, Frascati, 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, Orsay, Rostock, Strasburg, Utsunomiya e Zagabria.
149
- -
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 2001. Esso avrà una velocità di scanning
superficiale di circa 10 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.
Viene inoltre studiata strumentazione innovativa nel campo dell'analisi di immagini ad alta
definizione: telecamere CCD di nuova generazione con elevato frame rate ed alta qualità
d'immagine; nuovi frame grabbers multi-processore per l'analisi on-line.
Una parte dell’attività ha riguardato 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 la gestione delle emulsioni prima del run (erasing) e dopo (sviluppo).
OPERA comincerà a prendere dati nel 2005.
2000 Activity Report and 2001 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 sourne 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 set-up, 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: about 235000 bricks are assembled in walls, in
turn forming supermodules, each equipped with a muon spectrometer. The total detector is
composed of three supermodules totalling a mass of about 2000 tons.
In year 2000, the experiment has been in its design phase with the aim of producing the
Experiment Proposal, which has been submitted to the Scientific Committees in July 2000.
In September the experiment was recommended for approval by both the SPSC and the
LNGS Scientific Committee.
150
- -
The Collaboration includes now, in addition to the Italian groups of Bari, Bologna,
Frascati, 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, 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 2001. It will feature a scanning speed of more than 10 cm2 of emulsion
film surface per hour, meeting the OPERA requirements. Another system is being
developed in Italy with similar expected features, based on the so-called multi-track
approach. 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 2005.
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
OPERA Collaboration (M. Guler et al.), “OPERA: An appearance experiment to search for υ µ
<--> υ τ oscillations in the CNGS beam”, Experimental Proposal. CERN-SPSC-2000-028, CERNSPSC-P-318, LNGS-P25-00, Jul 2000.
“CONSIDERATIONS ON υ µ <--> υ τ APPEARANCE EXPERIMENTS USING THE
EMULSION TECHNIQUE”. By P. Migliozzi, P. Strolin (CERN & Naples U. & INFN, Naples).
2000. Published in Nucl.Instrum.Meth.A451:167-172,2000
OPERA Collaboration., “OPERA status report”, CERN-SPSC-2000-012 ; LNGS-LOI-99-19-add3; SPSC-M-645. - Geneva : CERN , 1 Mar 2000. –
S. Katsanevas, Epiphany Conference on Neutrinos in Physics and Astrophysics, Cracow, 6-9
January 2000;
Ereditato, NOW 2000 (Neutrino Oscillation Workshop), Conca Specchiulla, 9-16 September 2000;
J. Marteau, DM 2000 (Dark Matter Conference), York, 18-22 September 2000.
“THE NEUTRINO FACTORY: BEAM AND EXPERIMENTS”. By A. Blondel et al. CERNEP-2000-053, Apr 2000. 31pp. Published in Nucl.Instrum.Meth.A451:102-122,2000
A. Ereditato and P. Migliozzi, “Accelerator studies of neutrino oscillations”., La Rivista del
Nuovo Cimento, Vol. 23, n. 12 (2000).
151
- -
RICERCA DI OSCILLAZIONI DI NEUTRINI DI LUNGA BASE AL LABORATORIO
DEL GRAN SASSO (ESPERIMENTO NOE/ICANOE)
G.C. Barbarino, D. Campana*, F. Guarino, G.Osteria*, R.Caruso**
Attività 2000
Il goal della proposta di esperimento NOE/ICANOE e' quella di ottenere una apparizione
statistica diretta del neutrino tau, e di neutrino e partendo da un puro fascio di neutrini mu
prodotti a 730 Km di distanza dall' SPS del CERN. L' esperimento consente di sudiare la
regione delle anomalie atmosferiche viste negli apparati Cerenkov ad acqua nella stessa
regione dei parametri di oscillazione grazie alla distanza sorgente-rivelatore.
L'esperimento e' stato proposto alla comunita' scientifica nel 1994 e da allora ha progredito
fino ad arrivare ad una lettera di intenti presentata al Comitato Gran Sasso e Comitato
SPS.
L'esperimento NOE consiste di un calorimetro a fibre scintillanti immerse in un
assorbitore fatto con estrusioni di plastica e minerale di ferro e di un TRD massivo per
l’identificazione del tau nel decadimento in elettrone (massa rivelatore 7 Kton).
Il segnale di nutau puo' essere estratto dal fondo facendo una analisi cinematica del
momento trasverso mancante dell'evento.
Sono state concluse le simulazioni ed i test di laboratorio per definire le prestazioni del
rivelatore e le sue ottimizzazioni.
E’ stato effettuato un test TRD+CAL da 6 ton al PS (CERN) nel dicembre 98 che
conferma le prestazioni simulate del rivelatore
Una collaborazione fra sezioni INFN italiane ed Istituzioni russe si è consolidata.
Durante gli anni 1999 e 2000 si e’ altresi’ consolidata la fusione delle collaborazioni NOE
ed ICARUS formando una unica collaborazione che porta la sigla ICANOE. Dal punto di
vista sperimentale questa fusione comporta l’introduzione di una nuova targhetta ad argon
liquido letta da camere a fili in sostituzione del TRD (rivelatore a radiazione di
transizione) proposto per l’esperimento NOE. In definitiva l’esperimento ICANOE
consiste in una serie alternata di moduli di argon liquido (targhetta ICARUS) e
calorimetro/spettrometro (NOE). L’alta risoluzione spaziale del rivelatore ad argon
liquido, nonche’ l’immagine in 3D permettono una buona ricostruzione cinematica
dell’evento vicino al vertice, mentre il calorimetro e lo spettrometro che segue misurano
l’energia residua dell’evento e l’impulso del mesone mu.
Simulazioni relative al nuovo detector ICANOE sono state fatte e sono presentate nella
proposta di esperimento ICANOE e nei relativi addendum.
L’R&D del progetto si è concluso nell’estate del 2000.
*dipendente INFN
**borsista INFN
2000 activity report
152
- -
NOE: a long baseline project CERN-GRAN SASSO.
The low neutrino-beam luminosity at long distance (beam luminosity decreases as 1/L2
implies that a long baseline detector must be very massive and have a diffuse target.
Unlike the case of short baseline experiments these constraints imply a detector in where
parts should be, at the same time, target, tracker, calorimeter, and mu-detector.
Oscillation tests can be grouped in two classes:
Inclusive measurements:
neutrino-mu disappearance: comparing the fluxes measured near the accelerator and in the
far detector, the presence of a mu-deficit at long distance can be tested.
Measurement of the ratio of events without muon track (appearing NC events) with respect
to those with a muon track (appearing nu-mu CC events).
Appearance measurements:
Search for nu-tau and/or nu-e appearance.
This analysis can be performed on an event by event basis, taking advantage of both the
spatial and the topological event reconstruction.
A detector devoted mainly to this measurement should have very high granularity as well
as good particle identification capability.
Inclusive measurements require only mu identification in the detector and do not need
event reconstruction.
On the contrary, exclusive measurements require enough granularity to permit the
separation between CC interactions with or without tau's in the final state when nu-mu nutau oscillation occurs.
Such a discrimination is based on the measurement of the missing momentum in the plane
orthogonal to the nu-beam direction, on the angular correlation between missing
momentum, outgoing lepton (pion) and hadronic jet directions as well.
In this report we show that also in LBL experiments two subdetectors can be used, thus
improving the detector performances. Particle identification in TRD and CAL, electron
and hadron energy measurements in CAL and muon energy measurement in TRD, are the
high quality features of this new and unique LBL detector.
Background reduction is increased, allowing easy appearance oscillation signatures.
In addition lighter TRD and heavier CAL detector-target, exploiting their different
properties, can be addressed to independent classes of events, in particular recovering the
quasi elastic and resonant interactions.
Simulation end experimental test on TRD and CAL subdetector are in progress in order to
understand the performances of the apparatus proposed.
During 1999 and 2000 the combination of a very fine 3D ICARUS liquid argon target with
NOE calorimeter has been extensively investigated. In particular the liquid target allows a
very precise event identification and tracking near the vertex, whereas the NOE
magnetized calorimeter performs energy containement of the events and muon momentum
analysis as well. A new proposal ICANOE has been written. The experiment was
presented to GRAN SASSO and CERN scientific commitees during 1999 and 2000. The
R&D program on this project has been concluded in the summer 2000.
1)
“R&D results from the NOE scintillating fiber calorimeter” accepted for publication in Nuclear
Instrument and Method
153
- -
2)
3)
4)
5)
6)
7)
“The NOE scintillating fiber calorimeter prototype test results”, accepted for publication in Nuclear
Instrument and Method
“Wavelength fibers for calorimetric measurement in a long baseline neutrino oscillation
experiment”, accepted for publication in Nuclear Instrument and Method
“A transition radiation detector interleaved with low density target for the NOE experiment”,
.accepted for publication in Nuclear Instrument and Method
“ICANOE: imaging and calorimetric neutrino oscillation experiment”, INFN/AE-99-17,
CERN/SPSC-99-25, SPSC/P314
“ICANOE: imaging and calorimetric neutrino oscillation experiment”, LNGS-P21/99-ADD.1,
CERN/SPSC-99-39, SPSC/P314 ADD.1
“ICANOE: imaging and calorimetric neutrino oscillation experiment”, LNGS-P21/99-ADD.2,
CERN/SPSC-99-39, SPSC/P314 ADD.1
154
- -
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
Attivita’ 2000
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.
Oltre alla sua principale motivazione, acquisire adeguata conoscenza della produzione di
pioni per un disegno quantitativo ottimale del proton driver, del bersaglio e del sistema di
raccolta dei muoni. della Neutrino Factory, le misure di HARP han interesse generale. Ad
es., per migliorare significativamente le predizioni del flusso di neutrini atmosferici
necessarie per una piu’ accurata interpretazione dell’ evidenza di oscillazioni negli
esperimenti correnti e in quelli futuri.
Lo Stage 1 di HARP e’ stato approvato dal CERN Research Board il 17 Febbraio 2000
come PS214, per presa dati nel fascio T9 del PS fino alla fine del 2001.
L’ apparato di HARP e’ stato parzialmente costruito ed installato gia’ durante il 2000. E’
uno spettrometro magnetico a larga accettanza per particelle cariche, di concezione
tradizionale. Il rivelatore cruciale per i secondari di bassa energia e’ una TPC cilindrica,
dentro un solenoide, che circonda il bersaglio. A valle, la TPC e’ integrata da uno
spettrometro in avanti con un grosso magnete dipolare. Ne risulta una copertura vicina a 4
π per la misura del momento dei secondari carichi. La loro identificazione e’ affidata al
dE/dx nella TPC, al tempo di volo, ad un rivelatore Cherenkov a soglia e ad un electron
identifier. Napoli e Roma hanno la responsabilita’ di questo rivelatore, basato su moduli
calorimetrici costruiti per l’ esperimento CHORUS.
Un technical run si e’ svolto in Ottobre 2000, dove dati di grande utilita’ sono stai presi,
simultaneante con tutti i rivelatori gia’ disponibili, mentre la costruzione dell’ apparato
proseguiva.
Programma 2001
L’ apparato verra’ completato. La presa data vera e propria continuera’ per tutti i 7 mesi di
operazione del PS nel 2001, dopo un secondo technical run in Aprile e Maggio. L’ analisi
dati procedera’ in parallelo fino e dopo la fine dell’ anno.
HARP e’ la prima fase di una ampia campagna rivolta a ridurre l’impatto delle incertezze
della adroproduzione sulla fisica del neutrino. Proposte per due stages addizionali saranno
155
- -
preparati. Lo Stage 2 vien proposto per la prima meta’ del 2002, con fasci di particelle alfa
invece che protoni e pioni. Lo Stage 3, un’ estensione ad impulso piu’ alto, fino a 350
GeV/c, al CERN SPS, e’ proposto con inizio nell’ autunno 2002. Verrebbe estesa cosi’
alla regione di centinaia di GeV l’ affidabilita’ delle predizioni dei flussi di neutrino
originati sia nella atmosfera che dai nuovi fasci oggi in costruzione a partire da
acceleratori di alte energie (NuMI and CNGS).
Activity in 2000
HARP is a strategic experiment in the frame of the international effort towards the design
of new and more intense artificial sources of Neutrinos, the Neutrino Factories. It is a
measurement of hadron production, over the full solid angle, by a CERN PS beam of
protons and pions, with momentum in the range 2 to 15 GeV/c, on a variety of thin and
thick nuclear targets.
Beyond their main motivation, to acquire adequate knowledge of pion yields for an
optimal and quantitative design of the proton driver, the target and the muon collection
system of the neutrino factory, the HARP measurements have general interest. For
instance, to improve substantially the calculation of the atmospheric neutrino flux needed
for a refined interpretation of the evidence for neutrino oscillation in present and
forthcoming atmospheric neutrino experiments.
Stage 1 of the HARP experiment was approved by the CERN Research Board on 17
February 2000 as PS214, for data-taking in the PS T9 beam until the end of 2001.
The HARP apparatus has been partially built and installed already during the year 2000. It
is a large-acceptance charged-particle magnetic spectrometer of conventional design. The
crucial detector for low-energy secondaries is a cylindrical TPC inside a solenoid magnet
which surrounds the target. Downstream, the TPC is complemented by a forward
spectrometer with a large dipole magnet. This results in nearly full 4 π coverage for the
momentum measurement of charged secondary particles. Their identification is achieved
by dE/dx in the TPC, by time of flight (TOF), by a threshold Cherenkov detector, and by
an electron identifier. Naples and Rome share the responsibility for this last detector, based
on calorimeter modules from the CHORUS experiment.
A technical run took place in October 2000, collecting very valuable data, simultaneously
with all detector already available while the construction of the apparatus continued.
Program for 2001
The apparatus will be completed. Physics data-taking is planned throughout the 7 months
of PS operation in 2001, after a second technical run in April and May. Data analysis will
proceed in parallel throughout the year.
HARP is the first phase of a wide ranging campaign meant to reduce the impact of the
uncertainties of hadroproduction on neutrino physics. Proposals of two additional stages
are to be prepared. Stage 2 is proposed for the first half of 2002, replacing the primary
proton/pion beam with alpha particles. Stage 3, an extension to higher beam momenta , up
156
- -
to 350 GeV/c, at the CERN SPS, is proposed to start in Fall 2002. That program would
extend, to the region of hundreds of GeV, the reliability of calculations of fluxes of
neutrino originated both in the atmosphere and at the new high energy accelerator beams
presently under construction (NuMI and CNGS).
Pubblicazioni 2000
8)
9)
M.G. Catanesi et al., “The HARP experiment, Proposal” CERN-SPSC/99-35.
M.G.Catanesi “HARP: a hadron production experiment", Proc. of the Europhysics Neutrino
Oscillation Workshop 2000, being published on Nucl. Physics B
10) V. Palladino “A wide hadroproduction campaign: SPY, HARP and beyond”, Proc. of the
Workshop on Neutrino Oscillations and their origin, Tokyo, Dec. 2000, being published.
157
- -
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’ 2000
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).
Una NuFact sara’ capace di produrre fasci di neutrini muonici e elettronici di qualita’
senza precedenti, grazie a 2 innovazioni principali: 1) la realizzazione di un
superconducting proton linac (SPL) di altissima intensita’, fino 10^16 protoni/sec 2) la
accelerazione selettiva, mai applicata finora, dei parenti di neutrini (i muoni prodotti dallo
SPL), e quindi un flusso di neutrini circa cento volte piu’ grande che in fasci
convenzionali.
Il gruppo, che ha partecipato alle attivita’ al CERN sin dagli inizi, a meta’ 1998, e
contribuito gia’ al primo documento prodotto per ECFA e piu’ tardi ai due International
Workshops NuFact99 and NuFact00, continua da allora a lavorare alla definizione del
programma scientifico del Muon Complex. In primo luogo quello della NuFact, per
ricerche di oscillazioni di neutrini a grandi distanze, inclusi, se possibile, anche effetti di
non conservazione di CP. Ma anche quello della vasta gamma di altre possibilita’
sperimentali offerte dall’ alta intensita’ dello SPL: esperimenti di neutrini a distanze
ordinarie, studi di non conservazione del numero leptonico in decadimenti rari o
conversioni dei muoni, studio di decadimenti rari di kaoni etc etc .
Il gruppo ha promosso il primo (HARP) dei progetti di R&D necessari per la realizzazione
del Muon Complex e lavora attivamente alla progettazione dei progetti successivi, volti a
rendere possibile a fine 2005 un Conceptual Design Report di una NuFact che potrebbe
operare poco dopo il 2010. A tempi piu’ lunghi le opportunita’ scientifiche possibili con
Muon Colliders restano anch’esse uno scopo strategico di questi sforzi.
Programma 2001
Preparemo per il Workshop NuFact01 parecchi contributi , in particolare 1) studi di
interesse e fattibilita’ con lo SPL perfino di esperimenti con fasci conventionali di neutrini
a media distanza (un Workshop al CERN sara’ dedicato poi a fine 2001 alla possibilita’ di
un nuovo grande laboratorio sotterraneo nel tunnel del Frejus per questi scopi ) e 2)
contributi alla progettazione di un grande rivelatore magnetico calorimetrico che possa
prima studiare i neutrini atmosferici e poi quelli della NuFact. Anche a questo tema sara’
dedicato un Workshop a Barcellona in autunno.
Infine gli studi ormai avanzati per la realizzazione di un esperimento che dimostri la
fattibilita’ del Muon Cooling produrranno una proposta per questo secondo e decisivo
158
- -
progetto di R&D intorno alla fine del 2001. Il gruppo e’ tra i proponenti di un EU
Research Training Network su questi temi, per il triennio 2002-4, a cui hanno gia’ aderito
anche 5 altri ricercatori napoletani.
Activity in 2000
This INFN Working Group participates to the ECFA Studies for the realization of a Muon
Complex. One of its most promising applications will be a muon storage ring, the Neutrino
Factory (NuFact).
A NuFact will be able to produce beams of electron and muon neutrinos of unprecedented
quality, thanks to two major innovations: 1) the realization of a superconducting proton
linac (SPL) of extremely high intensity, up to 10^16 protons/sec 2) selective acceleration,
never applied before, of neutrino parents (muons from the SPL), and thus a neutrino flux
about 100 times larger than in conventional beams.
The group, that participated to the earliest activities at CERN, mid 1998, already
contributing to the first document produced for ECFA and later to the two International
Workshops NuFact99 and NuFact00, keeps working since to the definition of the scientific
program of the Muon Complex. Firstly, the one of the NuFact, ie search of neutrino
oscillation over long baselines, including, if possible, also CP non conservation effects.
But also the wide range of other experimental possibilities offered by the high intensity of
the SPL: neutrino experiments at ordinary distances, studies of lepton number violating
rare decays or conversions of muons, studies of rare kaon decays etc etc.
The group has promoted the first (HARP) of the R&D projects necessary for the
realization of the Muon Complex and is actively working to the design of the next
projects, aiming at making possible by the end of 2005 the Conceptual Design Report of a
NuFact that could operate soon after 2010. On the long term, the scientific opportunities of
Muon Colliders remain also a stategic goal of these efforts.
Program for 2001
The group will prepare for the Workshop NuFact01 several contributions, in particular 1)
studies of interest and feasibility with the SPL even of experiments with conventional
neutrino beams at medium baseline (a Workshop on the option of a new large
undergrounds lab in the Frejus tunnel for these goals will also be later held at CERN,
before the end of 2001) and 2) contributions to the design of a large calorimetric magnetic
detector combining the capabilities of studying atmospheric neutrinos first and NuFact
neutrinos later. This theme also will be debated again in a dedicated Workshop in
Barcelona in the Fall.
Finally, the advanced studies in progress for the realization of an experiment
demonstating the feasibility of Muon Cooling will result in a proposal for this second and
decisive R&D project around the end of 2001. The group is among the leading proponents
of a EU Research Training Network on these matters, for the years 2002-4, that 5
additional colleagues from Naples have already joined.
159
- -
Pubblicazioni 2000
1)
2)
3)
B. Aurtin. et al., “Prospective study of muon storage rings at CERN”, CERN-ECFA report CERN99-02.(1999)
V. Palladino, “Upgrade of existing injectors: the CERN PS?”, Nucl. Instr. & Meth. A451(2000)154
V. Palladino, “Neutrino Beams: muon decay vs pion decay”, Nucl. Instr. & Meth. A451(2000)141
Esperimento Monolith
M. Ambrosio in collaborazione con gruppo italiani e stranieri.
Attività 2000
La proposta di esperimento Monolith é stata avanzata da una collaborazione internazionale
con l’intento di realizzare un apparato massivo magnetizzato da installare presso i
Laboratori Nazionali del Gran Sasso d’Italia per la rivelazione di oscillazioni di neutrini
tramite la rivelazione dei cosiddetti neutrini atmosferici. L’apparato é costituito da 120
strati di 8 cm di ferro intervallati da rivelatori RPC a vetro, per una superficie di 15 x 30
mq.
L’impegno di Napoli é consistito nello sviluppo e nel test di nuovi rivelatori in vetro di 25
x 110 cmq e nel confronto tra le prestazioni di tali rivelatori e quelle di tradizionali RPC in
bachelite. E’ stata inoltre fatta una accurata analisi della dipendenza delle prestazioni dei
rivelatori in funzione della miscela di gas che ha portato all’individuazione di una miscela
non infiammabile che massimizza la risposta sia dei rivelatori in vetro sia di quelli in
bachelite.
160
- -
FISICA DELLA RADIAZIONE COSMICA
STUDIO DELLA RADIAZIONE COSMICA PRESSO IL
LABORATORIO NAZIONALE DEL GRAN SASSO DELL’INFN
(ESPERIMENTO MACRO)
M. Ambrosio*, G.C. Barbarino, D. Campana*, F. Guarino, G.Osteria*, R.Caruso**
Attività 2000
La collaborazione (con Bari, Bologna, Frascati, Lecce, Pisa, Roma, Torino e varie
Universita' USA) si propone di studiare la componente penetrante dei raggi cosmici, con
particolare enfasi alla rivelazione di monopoli magnetici, di neutrini da sorgenti
astrofisiche (stelle binarie, collassi, etc.) di muoni e di multimuoni presenti negli sciami
indotti nell'atmosfera da raggi cosmici primari di altissima energia.
L'attivita' del gruppo di Napoli e' consistita nella progettazione, costruzione ed
installazione dell'elettronica di front-end per i rivelatori, a tubi a streamer e dei successivi
processori di carica e tempo. Le misure di queste grandezze sono utili per l' identificazione
del monopolo. Infatti i bassi valori di beta che lo caratterizzano determinano un forte
rilascio di energia nonche' un basso tempo di volo nei rivelatori attraversati.
Il gruppo si e' impegnato attivamente a lavorare sull' analisi dei dati sperimentali: in
particolare ha preso in considerazione due temi di fisica fondamentali:
ricerca di monopoli magnetici
oscillazione di neutrini atmosferici.
Su questo item Macro ha recentemente raggiunto un importante risultato confermando
l’anomalia atmosferica trovata in esperimenti come Kamiokande e Superkamiokande. Il
risultato e’ tanto piu’ importante se si pensa che questa anomalia, spiegata in termini di
oscillazioni di neutrini, viene confermata con una tecnica diversa (calorimetrica) in Macro.
Il programma sperimentale si e’ concluso n 2000. Lo smontaggio dell’apparato Macro è
iniziato nell’inverno 2000.
*dipendente INFN
**borsista INFN
The MACRO detector at GRAN SASSO. The Macro collaboration operates a large area
underground detector optimized to search for magnetic monopoles predicted by Grand
Unified Theories (GUT’s). The detector allows to perform observation relevant to particle
physics, astrophysics, and cosmic ray physics. These include different studies of the high
energy underground muon flux relevant to primary cosmic ray composition, search for low
energy gravitational collapse neutrinos, high energy neutrino astronomy and study of
atmospheric neutrinos.
Other research topics include a study of the underground muon residual energy spectrum
with transition radiation detector and a search for lightly ionizing partcles using the new
waveform digitization system.
161
- -
The Napoli group has worked on the project and construction of the front-end electronic
for streamer tubes. Moreover a system of ADC and TDC processor (QTP) has been
implemented too.
Concerning the data analysis the group is working on two items: monopole search,
atmospheric neutrinos anomalies.
On the last item an interesting result has been reached by Macro confirming the
atmospheric anomaly seen in water Kamiokande end SuperKamiokande detector. The
relevant aspect of this result is that this anomaly, due to possible neutrino oscillation, is
seen using a different dense calorimetric technique. The Macro experimental program has
been completed in December 2000. The dismounting of the experiment is in progress.
Pubblicazioni 2000
1)
2)
3)
4)
“Nuclearite search with the MACRO detector at Gran Sasso”, hep-ex/9904031, Eur. Phys. J.c 13
(2000) 453
“Low energy atmospheric muon neutrinos in MACRO”, Phys. Lett. B 478 (2000) 5.
“Search for lightly ionizing particles with MACRO detector”, hep-ex/0002029, to be published on
Phys. Rev. D
“Neutrino astronomy with the MACRO detector“, astro-ph/0002492, to be published on
Astrophys.J.
162
- -
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, L. Milano e L. Saggese*
Attivita' 2000
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, misura in
grado di discriminare tra produzione locale (galattica) degli antiprotoni o extragalattica e
quindi di dare una risposta al problema della simmetria materia-antimateria nell'Universo.
Spettro dei raggi cosmici tra 10 e 200 TeV.
Monitoraggio del campo magnetico solare ed interplanetario per lo studio dei fenomeni
solari e di modulazione dei raggi cosmici galattici da parte dell'eliosfera.
Altre tematiche quali la composizione al ginocchio dello spettro, test di universalità dei
raggi cosmici e fotoni da annichilazione di materia-antimateria sono in corso di
approfondimento.
Nel corso del 2000, dopo la consegna del Laboratorio, si è iniziata l’installazione delle
linee di distribuzione dei gas ed i primi 40 rivelatori sono stati sottoposti a test di
funzionalità.
Al contempo, presso i laboratori napoletani, è proseguita l’attività di progettazione e
realizzazione del trigger e del sistema di acquisizione.
163
- -
In vista di un successivo sviluppo è in corso lo studio sperimentale della risposta analogica
degli RPC.
Sono altresì in corso di sviluppo gli algoritmi di ricostruzione degli eventi, in linguaggio
C++.
Programma 2001
Il programma comprende
A YangBaJing
Installazione di 400 RPC e loro test di funzionalità.
Installazione dell’elettronica di 16 cluster.
Installazione del sistema di trigger e di acquisizione centrale
Presa dati per 16 cluster
A Napoli
Completamento dell’elettronica di Trigger
Studio della risposta analogica degli RPC
Sviluppo degli algoritmi di ricostruzione
Realizzazione del sistema di archiviazione dei dati
During year 2000, after the end of the Laboratory construction, the installation of the gas
distribution pipes started and the first 40 RPCs have been tested.
In the same time, in the laboratory in Naples, the activity of design and testing of both
trigger and data acquisition cards has been prosecuted.
In order to develop in future the the acquisition system, has now under study the analogic
RPC response.
Also the event reconstruction algorithms (in C++ language) are in development fase.
2001 Program
The activity program in YangBaJing is
Installation and testing of 400 RPCs.
Instalation of the electronics for 16 clusters
Installation of the Trigger Station and the Central Station
Data taking for 16 clusters
Whereas in Naples the program is
Refinement of trigger electronics
Study of RPC analogic response
Development of the event reconstruction algorithms
Design and installation of the archive system for the ARGO data
164
- -
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
C. Bacci et al. (ARGO-YBJ Collaboration), "The ARGO-YBJ experiment in Tibet” Proc. of the
"Chacaltaya Meeting on Cosmic Ray Physics", La Paz (Bolivia) July 23-27, 2000.(to be published
in Il Nuovo Cimento)
C. Bacci et al. (ARGO-YBJ Collaboration), "Results from the analysis of data collected with a 50
m2 RPC carpet at YangBaJing”, Nucl. Instr. Meth. A456 (2000) 121.
C. Bacci et al. (ARGO-YBJ Collaboration), "High Altitude test of RPCs for the ARGO-YBJ
experiment”, Nucl. Instr. Meth., A443 (2000) 342
C. Bacci et al. (ARGO-YBJ Collaboration), "Results from the ARGO-YBJ Test Experiment”,
Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.) 85 (2000) 338,
C. Bacci et al. (ARGO-YBJ Collaboration), "ARGO-YBJ resolution and sensitivity to detect
gamma rays sources”, "International Symposium on High Energy Gamma-Ray Astronomy ”,
Heidelberg, Germany (June 26-30, 2000):
C. Bacci et al. (ARGO-YBJ Collaboration), "Blazar Observations with the ARGO-YBJ
Detector”, Quarto Congresso Nazionale sugli AGN, Trieste, Italy (May 15-18, 2000):
B. Bartoli, R. Buonomo, E. Calloni, S. Catalanotti, B. D'Ettorre Piazzoli, G. Di Sciascio, M.
Iacovacci, “Study of RPC gas mixtures for the ARGO-YBJ experiment“, Nucl. Instr. Meth.
A456 (2000) 35.
ESPERIMENTO TTC
M. Ambrosio in collaborazione con gruppi di Catania, LNGS, Milano
Attività 2000
Nel maggio 2000 l’esperimento TTC ha completato la sua fase di presa dati ed è stato
completamente smontato insieme all’apparato EAS_TOP. Durante l’ultima fase, dal
novembre 1999 al maggio 2000, sono stati acquisiti circa 2 milioni di eventi di
coincidenza tra i 40 mq di rivelatori RPC installati e il calorimetro di EAS_TOP. E’ stata
fatta una prima analisi dei dati, i cui risultati si stanno confrontando con le simulazioni di
Montecarlo. A tale scopo è stato installato a Napoli su una alfa station il Montecarlo
Corsika completo della simulazione del calorimetro e dell’array EAS_TOP, e si sta
procedendo, di concerto con il gruppo di Torino, a creare un insieme significativo di
sciami simulati per capire l’efficienza del sistema e confrontare i dati analizzati con le
simulazioni. Non si prevedono attività di rilievo nel 2001.
165
- -
ESPERIMENTO AUGER
M. Ambrosio, A. Della Selva e L. Rosa in collaborazione con gruppi italiani e stranieri
Attività 2000
L’esperimento Auger é una larga collaborazione internazionale comprendente circa 250
fisici di 19 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 é quello di dare una risposta definitiva sull’esistenza di sciami
di energia superiore a 1020 eV e 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.
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. Il gruppo di Napoli é coinvolto nel lavoro di
calibrazione ed ha costruito un apparato di test che consente la calibrazione automatica,
tramite elettronica VME, di 24 fototubi alla volta. A ottobre sono iniziati i lavori di
costruzione della prima stazione di rivelazione della luce di fluorescenza nel sito di Los
Leones a 10 Km da Malargue.
Nel 2001 il gruppo di Napoli sarà impegnato principalmente in due attività di rilievo. La
prima, sperimentale, 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 questi test. Contemporaneamente si
pensa di avviare un programma di simulazioni con il Corsika per verificare la possibilità di
auger di rivelare eventi di interazioni di neutrini di altissima energia con l’atmosfera
terrestre.
Nota: A. Della Selva e L. Rosa hanno aderito all’esperimento nell’Aprile 2001.
166
- -
FISICA TEORICA
(Responsabile della Sezione: Prof. F. Nicodemi )
167
- -
168
- -
SIMMETRIE, TEORIA DEI CAMPI
E FISICA DELLA GRAVITAZIONE
G. Bimonte, G. Esposito*, M. Giordano, R. de Ritis, F. Lizzi, G. Marmo, V.Marotta*, G. Platania, C.
Rubano, A. Simoni, A. Sciarrino, P. Scudellaro, C. Stornaiolo*, F. Zaccaria
L'attività di questo gruppo di ricerca si è svolta principalmente all'interno del Progetto di
Ricerca di Interesse Nazionale: Singolarità, Integrabilità e Simmetrie. E' stata svolta una
attività che copre diversi aspetti del Progetto: integrabilità, simmetrie standard e deformate,
singolarità`. E` possibile dividere, metodologicamente, la ricerca svolta in: i) aspetti
fondazionali, ii) problemi di interpretazione teorica, iii) metodi di soluzione, iv) nuovi
sviluppi.
Schematicamente, ci si è interessati principalmente:
i) di completare lo studio di una particolare classe di deformazione di Oscillatori armonici
(f-oscillatori); e' stata esaminata la possibilità che in meccanica quantistica un sistema
abbia più' descrizioni Hamiltoniane dovute a differenti prodotti associativi nell'algebra
degli operatori;
ii) di studiare il metodo delle polarizzazioni di ordine superiore per la quantizzazione di
sistemi fisici usando la teoria delle rappresentazioni dei gruppi,;
iii) di problemi riguardanti l'integrabilità di sistemi dinamici, la loro linearizzazione e la
sovrapposizione non-lineare;
iv) dell’uso delle simmetrie deformate per la teoria della gravitazione, teorie di ChernSimons, attraverso lo sviluppo di un calcolo differenziale non commutativo;
v) della interpretazione fisica delle regole di commutazione canonica in meccanica
quantistica in relazione al principio di indeterminazione e alla connessione spin-statistica;
vi) di assimilare i diffeomorfismi dello spazio-tempo (le simmetrie della relatività
generale) a simmetrie di gauge della geometria non commutativa;
vii) della emergenza naturale del toro non commutativo (uno spazio in cui le coordinate
non commutano, dando perciò luogo ad un principio di indeterminazione generalizzato) nel
limite di bassa energia di una teoria di stringa vista come geometria non commutativa
dell'algebra degli operatori di vertice;
viii) di proporre l'algebra quantica Uq(sl(2)Åsl(2)) nel limite q --> 0 come algebra di
simmetria del codice genetico; l'energia libera rilasciata nel pairing del RNA e' calcolata
nel modello;
ix) di una classe di CFT sulle superfici di Riemann con invarianza Zk, mostrando che
l'introduzione di un'interazione di scambio tra i vari sheets può essere considerata come
origine di campi parafermionici;
x) Formulazione non-locale delle teorie di gauge quantizzate
e della gravitazione quantistica euclidea.
xi) Approccio operatoriale al problema di Cauchy in relativita`
generale.
xii) Energia Casimir in gauge non-covarianti.
xiii) studiare il potenziale di un campo scalare minimalmente o non minimalmente
accoppiato con la gravità, anche in relazione ai recenti risultati osservativi, nell’ambito
delle teorie di quintessenza;
169
- -
xiv) approfondire la nozione di costante cosmologica effettiva, anche in rapporto al
problema della determinazione del parametro di densità cosmologica;
xv) indagare dettagliatamente alcuni aspetti del microlensing della nostra Galassia,
studiando tra l’altro la struttura dell’alone oscuro tramite i parametri propri del
microlensing (“problema inverso”), e le lenti doppie e le caustiche ad esse connesse;
xvi) approfondire il concetto di distanza negli universi localmente non omogenei, in
relazione anche alla teoria del lensing gravitazionale cosmologico.
SYMMETRIES, FIELDS AND THE PHYSICS OF GRAVITATION
G. Bimonte, G. Esposito*, M. Giordano, R. de Ritis, F. Lizzi, G. Marmo, V.Marotta*, G. Platania, C.
Rubano, A. Simoni, A. Sciarrino, P. Scudellaro, C. Stornaiolo*, F. Zaccaria.
The activity of this research group has been mainly within the national research project:
Singularities, Integrability end Symmetries. Several aspect of the project have been
covered: integrability, standard and deformed symmetries, singularities. It is possible to
divide the methodology followed in : i) foundation aspects, ii) theoretical interpretation
problems, iii) solution methods, iv) further developments.
Schematically, we have been mainly interested in:
i) completing the study of a particular class of harmonic oscillators deformations (foscillators); we examined the possibility that in quantum mechanics a stem might have
more Hamiltonian descriptions due to different associative operator products;
ii) studying the higher order polarization method for quantization using group
representation theory;
iii) integrabilty of dynamical systems, their linearization and non-linear superposition
iv) the use of deformed symmetries in gravitation, Chern-Simons theories, via the
development of a noncommutative differential calculus;
v) the physical interpretation of canonical commutation relations in quantum mechanics in
relation with the indetermination principle and spin-statistics;
vi) the interpretation of space-time diffeomorphisms (General relativity symmetries) to
gauge symmetries in a noncommutative theory;
vii) the natural appearance of the noncommutative torus in the low energy limit of a string
theory seen as the noncommutative geometry of a vertex operator algebra;
viii) proposing the quantum algebra Uq(sl(2)Åsl(2)) in the limit q-->0 as symmetry
algebraof the genetic code; the free energy released by RNA is calculated in the model;
viii) to propose the quantum algebra Uq(sl(2)Åsl(2)) in the limit q --> 0 as the symmetry
algebra for the genetic code: the free energy released during the RNA pairing is computed
within the model:
ix) a class of Riemann surfaces CFT with Zk invariance, showing that the introduction of
an exchange interaction among the various sheets can be considered the origin of
parafermionic fields;
x) Non-local formulation of quantized gauge theories and
Euclidean quantum gravity.
170
- -
xi) Operator approach to the Cauchy problem in general relativity.
xii) Casimir energy in non-covariant gauges.
xiii) to study the potential of a scalar field minimally or nonminimally coupled with
gravity, also in relation to the recent observational results, in the field of quintessence
theories;
xiv) to deepen the notion of effective cosmological constant, also with respect to the
problem of the determination of the cosmological density parameter;
xv) to investigate in detail some aspects of microlensing in our Galaxy, studying also the
structure of its dark halo by means of the parameters proper of microlensing (“inverse
problem”), and the double lenses and the caustics related to them;
xvi) to deepen the distance concept in locally inhomogeneous universes, also in relation to
the cosmological gravitational lensing.
Pubblicazioni internazionali
Aniello P, Man'ko V, Marmo G, et al.
“On the coherent states, displacement operators and quasidistributions associated with deformed quantum
oscillators” J OPT B-QUANTUM S O 2: (6) 718-725 DEC 2000
G.Bimonte,G.Marmo and A.Stern "Bicovariant Calculus in Quantum Theory and a generalization of Gauss
law " Phys.LettB478,358(2000)
Calloni E, Di Fiore L, Di Sciascio G, L. Milano, L. Rosa, C. Stornaiolo
“Coupling of mirror tilts with earth gravitational field in long-baseline interferometric gravitational-wave
detectors” Phys.Lett.A 268: (4-6) 235-240 APR 17 2000
Carinena JF, Grabowski J, Marmo G “Quantum bi-Hamiltonian systems” Int.J.Mod.Phys.A 15: (30) 47974810 DEC 10 2000
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
G. Covone, R. de Ritis, M. Dominik, A.A. Marino, “Detecting planets around stars in nearby galaxies”,
Astron. Astrophys. 357, 816-822 (2000).
M. Demianski, R. de Ritis, A.A. Marino, E. Piedipalumbo, “The cosmological lens equation in a universe
with non zero cosmological constant”, sottoposto ad Astronomy and Astrophysics, e-print astro-ph/0004376.
de Ritis R, Marino AA, Rubano C, et al. « Tracker fields from nonminimally coupled theory”
art. no. 043506 Phys.Rev. D 6204: (4) 3506-+ AUG 15 2000
R. de Ritis, A.A. Marino, “Effective cosmological constant and quintessence”, e-print astro-ph/0007128.
G. Esposito e C. Stornaiolo, "Non-Locality and Ellipticity in a Gauge-Invariant Quantization",
International Journal of Modern Physics A, 15 (2000), pp. 449-460.
G. Esposito, "Non-Fuchsian Singularities in Quantum Mechanics", Foundations of Physics Letters, 13
(2000), pp. 29-40.
G. Esposito e C. Stornaiolo, "A New Family of Gauges in Linearized General Relativity", Classical and
Quantum Gravity, 17 (2000), pp. 1989--2005.
G. Esposito e C. Stornaiolo, "On the ADM Equations for General Relativity", Foundations of Physics
171
- -
Letters, 13 (2000), pp. 279--288.
G. Esposito, H.A. Morales-Tecotl e L.O. Pimentel, "Essential Self-Adjointness in 1-Loop Quantum
Cosmology", Corrigendum, Classical and Quantum Gravity, 17 (2000), p. 3091.
G. Esposito e B.G. Konopelchenko, "Ellipticity Conditions for the Lax Operator of the KP Equations",
Journal of Physics A, 33 (2000), pp. 7123--7135.
G. Esposito, A. Yu. Kamenshchik e K. Kirsten, "Casimir Energy in the Axial Gauge", Physical Review D,
62 (2000), Art. 085027, 5 pagine.
G. Esposito, "Boundary Operators in Quantum Field Theory", International Journal of Modern Physics A, 15
(2000), pp. 4539--4555.
G. Esposito, "Mass from Gauge Averaging in Field Theory", DSF preprint 2000/27, HEP-TH 0008229.
G. Esposito e A. Yu. Kamenshchik, "Boundary Effects in One-Loop Supergravity", DSF preprint 2000/33.
G. Esposito e C. Stornaiolo, "The Role of Elliptic Operators in the Initial-Value Problem for General
Relativity", DSF preprint 2000/40..
Facchi P, Gorini V, Marmo G, et al. “Quantum Zeno dynamics” Phys. Lett. A 275: (1-2) 12-19 OCT 2 2000
L. Frappat , A. Sciarrino e P. Sorba: “Crystal basis Model of the Genetic Code: Structure and Consequences
“
Proc. III International Conference "Symmetry in Nonlinear Mathematical Physics" , Institute of Mathematics
of NAS of Ukraine, Vol. 30, (2000) 481-488
L. Frappat , A. Sciarrino e P. Sorba: “A Model of Genetic Code Based on U (q à 0) ( sl(2) ⊕ sl(2))“
Int.J. Mod.. Phys. B14 (2000) 2485-2491
J.Grabowski,G.Marmo, “On Filippov Algebroids and Multiplicative Nambu-Poisson Structures”,
J.Differential Geom. and its Apllications ,12,35-50,(2000)
A.Ibort,F.Magri,G.Marmo, “Bihamiltonian Structures and Stackel Separability.",
J.Geom.Physics ,33,210-228(2000)
Fedele Lizzi, Gianpiero Mangano, Gennaro Miele, “Another alternative to compactification:
noncommutative geometry and Randall-Sunfrum models” HEP-TH 0009180
Fedele Lizzi, “Noncommutative geometry, strings and duality” Int.J.Mod.Phys.B14:2383-2396,2000
R.Lopez-Pena,V.I.Man'ko,G.Marmo,E.C.G.Sudarshan and F.Zaccaria
“Photon distribution in nonlinear coherent states” J.Russian Laser Research 21,401 (2000)
Man'ko OV, Man'ko VI, G. Marmo, “Star-product of generalized Wigner-Weyl symbols on SU(2) group,
deformations, and tomographic probability distribution” Physica Scripta 62: (6) 446-452 DEC 2000
Man'ko V, Marmo G, Porzio A, et al. “Trapped ions in laser fields: A benchmark for deformed quantum
oscillators” art. no. 053407 PHYS REV A 6205: (5) 3407-+ NOV 2000
Man'ko VI, Marmo G, Sudarshan ECG, et al. “Inner composition law of pure states as a purification of
impure states” Phys.Lett. A 273: (1-2) 31-36 AUG 14 2000
V. Marotta e A. Sciarrino : “Tensor operator and Wigner-Eckart theorem for U(q à 0) (sl(2))”
J.Math.Phys, 41, (2000) 5735-5744
172
- -
Libri scientifici e prodotti scientifici multimediali:
J.Carinena,J.Grabowski and G.Marmo “Lie-Scheffers Systems:A Geometrical Approach”
Bibliopolis(Napoli) 2000
Marino, S. Capozziello, R. de Ritis, P. Scudellaro, “Lezioni di lensing gravitazionale”, Bibliopolis, Napoli
(2000).
L. Frappat , A. Sciarrino e P. Sorba: “ Dictionary on Lie Algebras and Superalgebras”
Academic Press, London (2000)
FENOMENOLOGIA DELLE PARTICELLE ELEMENTARI
F. Buccella, G. Cosenza, G. D’Ambrosio, A. Della Selva, G. Isidori, D. Falcone*, Dao-Neng Gao*,
O. Pisanti*, K. Nakagawa, G. Ricciardi*, L. Rosa. P. Santorelli, F. Tramontano*
A) FISICA DEI NEUTRINI
"Lo studio delle oscillazioni dei neutrini atmosferici e solari nel contesto di modelli di
altalena nell'ambito di teorie di gauge unificate con gruppo di gauge SO(10) ha portato ad
individuare, nell'ipotesi che non ci siano differenze troppo grandi tra gli elementi della
matrice di massa di Majorana dei neutrini destrorsi, per la scala di rottura spontanea di B L un valore in buon accordo con quello trovato nella teoria con simmetria intermedia
SU(4)xSU(2)xSU(2)."
"The study of atmospheric and solar neutrino oscillations in the framework of SO(10)
unified gauge theories has brought,within the hypothesis of not too large differences for the
elements of the Majorana mass matrix of right-handed neutrinos,to a scale for the
spontaneous symmetry breaking of B - L in good agreement with the value found in the
theory with SU(4)xSU(2)xSU(2) intermediate symmetry."
Pubblicazioni
1. M. Abud, F. Buccella, SO(10) and neutrino oscillations. (Naples U. & INFN, Naples). Feb 2000.
Published in In *La Thuile 2000, Results and perspectives in particle physics* 127-135
2. F. Buccella Solutions of d(alpha) = 0 from homogeneous invariant functions. (CERN). CERN-TH-2000013, Jan 2000. 4pp. e-Print Archive: math-ph/0002002
3. G.A.-Camelia, Franco Buccella Testing kappa poincare with neutral kaons. (CERN). CERN-TH-2000034, Jan 2000. 8pp. Published in Mod.Phys.Lett.A15:2119-2128,2000 e-Print Archive: hep-ph/0001305
4. F. Buccella, O. Pisanti, L. Rosa The strange quark problem in the framework of statistical distributions.
(Naples U. & INFN, Naples). DSF-42-99, Jan 2000. 29pp. e-Print Archive: hep-ph/0001159
5. M. Abud, F. Buccella D. Falcone, G. Ricciardi F. Tramontano Neutrino masses and mixings in so(10).
DSF-T-99-36, Nov 1999. 11pp. Published in Mod.Phys.Lett.A15:15-22,2000 e-Print Archive: hepph/9911238
173
- -
B) FISICA DEI MESONI PESANTI
L’attività svolta si incentra essenzialmente su due aspetti della fisica dei mesoni B. Da un
lato vengono sviluppati modelli per il calcolo dei fattori di forma semileptonici dei mesoni
B, dall’altro vengono studiati, con l’ausilio delle teorie effettive, i decadimenti nonleptonici in due e tre mesoni leggeri. In particolare:
1. è stato generalizzato un modello a quark confinati (QCM) con l’inclusione degli effetti
di massa finita per i quark pesanti. Effetti importanti specialmente per i decadimenti dei
mesoni charmati. I risultati teorici risultano in buono accordo con i dati sperimentali sui
decadimenti semileptonici dei mesoni B e D.
2. nell’ambito della teoria effettiva dei quark pesanti, delle perturbazioni chirale e la teoria
effettiva heavy-light abbiamo studiato, mettendo in evidenza il ruolo centrale delle
risonanze (0+) nei canali di decadimento nonleptonici dei mesoni B in mesoni leggeri
utili per la misura degli angoli del triangolo di unitarietà α e γ. Particolarmente
interessante dal punto di vista fenomenologico sono i risultati relativi al processo
B→ρπ, ritenuto il canale più importante per la misura di α, per il quale viene predetto
un grosso contributo dalle suddette risonanze.
HEAVY MESONS PHYSICS
The research was devoted to use and build models to evaluate semileptonic form factors
and non-leptonic decays of heavy mesons. In particular:
1. we generalized, including heavy mass effects, a model based on confined quarks
(QCM) . These effects are very important in particular in the charmed meson decays.
The comparison between the theoretical results and the experimental data confirmed the
model and the relevance of the mass effects.
2. In the framework of the effective theories (Heavy, Light and Heavy-Light), we studied
the relevance of the 0+ resonances in the non-leptonic decays of heavy mesons. These
processes are useful to measure the angles of the unitarity triangle α e γ. Very
interesting were the results about the process B→ρπ, which is the most promising
channel to measure the angle α, for which we predict the larger contribution from these
resonances.
Pubblicazioni
1) A. Deandrea, R. Gatto, M. Ladisa, G. Nardulli, P. Santorelli, “B and B(S) decays into three
pseudoscalar mesons and the determination of the angle gamma of the unitarity triangle”,
Phys.Rev.D62:114011,2000
2) A. Deandrea, R. Gatto, M. Ladisa, G. Nardulli, P. Santorelli, “Measuring B→ρπ decays and the
unitarity angle alpha”, Phys.Rev.D62:036001,2000
3) M.A. Ivanov, P. Santorelli, N. Tancredi, “The semileptonic form factors of B and D mesons in the
quark confinement model” , Eur.Phys.J.A9:109-114,2000
174
- -
4) P. Migliozzi, G. D'Ambrosio, G. De Lellis, F. Di Capua, G. Miele, P. Santorelli, “A search for Zprime in muon neutrino associated charm production”, Phys.Lett.B494:19-25,2000.
TEORIE CHIRALI E VIOLAZIONE DI CP
i) teoria chirale,VMD e fattori di forma : nel regime non-perturbativo di QCD (a bassa
energia $E<Λ_{χSB} =1 GeV) le ampiezze fisiche vengono determinate con la
lagrangiana chirale che sfrutta le simmetrie della QCD (SU(3)_L ⊗ SU(3)_R)$ e
l'evidenza fenomenologica e teorica che la simmetria chirale e' spontaneamente rotta a
SU(3)_{I} piu' 8 bosoni di Goldstone: i mesoni pseudoscalari. Non tutto pero' si puo'
calcolare con la simmetria e modelli teorici devono essere introdotti, per esempio scambio
di mesoni vettori (VMD), chiral quark model, 1/N; tutti con le giuste proprieta' di
simmetria a bassa energia ma diversi per energie di circa un GeV. E' quindi interessante
sapere qual'e' la teoria che meglio riproduce la fenomenologia e la QCD. Mentre nel settore
forte la connessione tra VMD e la lagrangiana effettiva O(p^4)$ e’ ben stabilita tramite
raccordo asintotico con la QCD perturbativa, nelle interazioni deboli molto lavoro e'
ancora necessario. Noi abbiamo mostrato che, diversamente da quanto fatto nella
letteratura precedente, e' possibile formulare tutta la VMD nel settore debole in termini di
un solo accoppiamento debole dei vettori e senza usare la fattorizzazione, avendo quindi
piu' generalita' e predittivita'. Infatti nella ref. [5] si mostra che questa formulazione
permette un'ottima descrizione dei decadimenti K→ππγ.
ii) violazione di CP e decadimenti rari dei K: l'accurata determinazione dei parametri di
bassa energia, per esempio l'elemento di matrice debole tra il K ed il π nel K→πυ υ,
permette di determinare con precisione gli elementi di matrice CKM (Cabibbo-KobayashiMaskawa) del modello standard (SM) ed anzi testarne le sue possibili estensioni.
La teoria supersimmetrica sebbene motivata teoricamente e fenomenologicamente non e'
stata ancora provata poiche' i partnersupersimmetrici sembrano essere alla portata solo di
LHC. Quindi e' interessante studiare gli effetti virtuali di queste particelle a scale minori di
un GeV. Al Cern (NA48) ed a Frascati (Kloe) si spera di misurare l'asimmetria di carica
violante CP nel K→3π almeno a livello 10^{-4}. La predizione del modello Standard e'
ordine 10^{-6}. Noi mostriamo nella Ref .[ 1] che per alcune regioni dello spazio dei
parametri della supersimmetria si puo' raggiungere 10^{-4}. Sono anche mostrati quali
decadimenti rari dei K sono rilevanti allo scopo.
iii) Fisica dei neutrini: recentemente si e' iniziata una collaborazione in fisica dei neutrini
anche con membri di gruppi sperimentali (CHORUS). Infatti la tecnica dei rivelatori ad
emulsione usata nella diffusione di neutrini su adroni ha portato ad una conoscenza
dettagliata della cinematica nei decadimenti adronici, che abbiamo dimostrato essere utile
per la comprensioni di vari problemi. Nella Ref.[ 4] abbiamo studiato i possibili limiti
sullo scambio virtuale di uno Z’ accoppiato a neutrini ed adroni.
Elenco delle pubblicazioni 2000
1. G. D’Amb rosio, (in collaborazione con G. Isidori e G. Martinelli) "Direct CP violation in K→3π decays
induced by susy chromomagnetic penguins'', , Phys.Lett. B 480 (2000) 164. hep-ph/9911522
175
- -
2. G. D’Ambrosio “Theory of rare kaon decays'', seminario generale su
invito a 3rd International Conference on B Physics and CP Violation
(BCONF99), Taipei,Taiwan, 3-7 Dec 1999 e-Print Archive: hep-ph/0002254
3. G. D’Ambrosio “Radiative rare kaon decays”. Proceedings del'
3rd Workshop on Physics and Detectors for DAPHNE (DAPHNE 99), Frascati,
Italy, 16-19 Nov 1999. hep-ph/0002265
4. G. D’Ambrosio, in collaborazione con P. Migliozzi (CERN), G. De Lellis, F.
Di Capua, G. Miele e P. Santorelli A search for Z' in muon neutrino associated charm
production, ), Phys.Lett.B 494 (2000) 19. hep-ph/0011051
5. G. D’Ambrosio, in collaborazione con Dao-Neng Gao A phenomenological description on
K→ππγ.magnetic transitions JHEP 0010 (2000) 043. hep-ph/0010122
FISICA ASTROPARTICELLARE
S. Esposito, G. Mangano, G. Miele, O. Pisanti
L'attività del gruppo di astroparticelle ha essenzialmente riguardato:
1.Nucleosintesi Primordiale, anisotropia della radiazione di fondo;
2. Modelli di Leptogenesi e Bariogenesi;
3. Fisica dei neutrini e sue implicazioni in astrofisica e cosmologia;
1.La Nucleosintesi primordiale (BBN) è ancora oggi uno dei capisaldi della teoria
dell'Hot Big Bang e viene usata quale strumento insostituibile per verificare la
bontà dei modelli cosmologici e/o di fisica fondamentale quando confrontati con
altri osservabili cosmologici quali ad esempio l'anisotropia della radiazione di
fondo (CMB). In questo ambito, la crescente precisione nella misura delle
abbondanze primordiali degli elementi leggeri nell'universo quali D, 3He, 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 Ref.s [1,2], 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, quali: le
correzioni radiative, gli effetti di rinculo dei nucleoni e le correzioni radiative
termiche. Tali contributi che influenzano il rapporto tra neutroni e protoni,
modificano le abbondanze primordiali all'ordine del percento. 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, che ci sono forniti dai recenti
esperimenti sulla radiazione elettromagnetica di fondo (CMB).
2. Lo sbilancio tra materia ed antimateria (barionica) nell'universo è un dato
osservativo di grande rilievo. Tale asimmetria, espressa dalla frazione barionica,
176
- -
può essere quantificata attraverso la BBN e la CMB e risulta essere qualche
percento della densità energetica complessiva Omega. Nonostante il suo piccolo
valore, come mostrato da Sakharov, la presenza di uno sbilancio
materia/antimateria è un'evidenza in favore della presenza di fisica al di là del
modello elettrodebole standard. Al momento esistono molti schemi teorici nei quali
si può produrre tale asimmetria. Essi si possono comunque suddividere in due
ampie classi: modelli di bariogenesi attraverso una preesistente asimmetria nel
numero leptonico (bariogenesi da leptogenesi) o modelli di pura bariogenesi. In tale
ambito sono stati proposti schemi di leptogenesi basati sull'oscillazione di neutrini
di Majorana di grande massa Ref. [4].
3. La Fisica dei neutrini, che rappresentano insieme allo scalare di Higgs Ref. [10],
le particelle meno conosciute del modello elettrodebole, riveste particolare
importanza in ambito astrofisico e cosmologico. Tale rilevanza è dettata, a livello
cosmologico, dal ruolo svolto dai neutrini fossili e dalle loro possibili proprietà
esotiche sulla dinamica del primo universo, mentre a livello astrofisico, dai
meccanismi di oscillazione dei neutrini emessi da stelle o supernovae e dai processi
di raffreddamento tramite emissione di neutrini di stelle massicce. In particolare,
per i neutrini del fondo cosmico, si sono studiate le implicazioni sulla BBN di forti
asimmetrie neutrino/antineutrino e della presenza di termini di non equilibrio
termodinamico sulle loro distribuzioni Ref.[3]. Sono anche state analizzate le
potenzialita' di esperimenti dedicati alla rivelazione di oscillazioni di neutrini ad
effettuare misure nella fisica del charm e nella ricerca dello Z' Ref. [5].
ASTROPARTICLES
S. Esposito, G. Mangano, G. Miele, O. Pisanti
1.Primordial Nucleosynthesis (BBN) represents one of the corner stones of Hot Big Bang
model, and can be used as a crucial test for cosmological models and/or theories of
fundamental interactions, in particular once its predictions are compared with other
cosmological observables, as the anisotropy of Cosmic Background Radiation (CMBA). In
this framework the increasing precision in the experimental measurements of light nuclei
abundances, Deuterium, 3He, 4He and 7Li, requires a better accuracy in the corresponding
theoretical
predictions.
Our group has developed in the recent years a new numerical code Ref.s [1,2], which has
now reached a precision of the order of 1 percent on 4He mass fraction. This improved
precision has been achieved by using more sophysticated numerical methods and, basically
by estimating the role of several effects on the interaction rates, as for example the 1 loop
QED radiative corrections, finite nucleon mass effects, and plasma contributions. All these
effects, influencing the neutron-proton ratio, modify the primordial abundances at the
mentioned order of one per cent. Equipped with this new theoretical tool to analyze
primordial production of light nuclides, it is possible to perform a more careful comparison
of a crucial cosmological parameter, as the baryon fraction, with the value predicted for
this parameter by CMBA.
177
- -
2. The asymmetry between baryonic matter and antimatter in the universe is an extremely
important observational data. This asymmetry, can be constrained by both primordial
nucleosynthesis and the anisotropy of cosmic microwave background, and represents,
today, few percent of the total energy density of the universe. Despite of its small value, as
shown by Sakharov, it is a clear evidence in favour of new physics beyond the standard
model of strong and electroweak interactions. Presently there are many theoretical ideas to
describe how this asymmetry developed in the past, which can be classified in two wide
families: baryogenesis through a lepton number asymmetry, and baryogenesis directly
producing a baryon number for the universe. In this framework we have considered
possible scenarios based on heavy Majorana neutrino oscillations [4].
3. The Physics of neutrinos, which are, along with the Higgs field the less known particles
of the standard electroweak model, plays a particular role in both astrophysics and
cosmology. This is due to the role played by background neutrinos and their possible
exotic properties in the cosmological setting, and, for astrophysics, to the oscillation
mechanisms of neutrinos emitted from stars and supernovae, and to cooling processes due
to neutrino pair production in massive stars. All these topics have been studied by our
group. In particular, for the cosmological implications of neutrino physics we have
considered the consequences of large neutrino-antineutrino asymmetry on BBN and the
effect of non equilibrium distortions in their distributions Ref.[3]. Finally we have
analyzed the detection possibilities to perform measurements relevant for charm physics
and to search for Z' boson Ref. [5], in experiments devoted to neutrino oscillations.
Pubblicazioni
1. S. Esposito, G. Mangano, G. Miele, and O. Pisanti "Big Bang Nucleosynthesis: an accurate determination
of light element yields" Nucl. Phys. B568 (2000) 421.
2. S. Esposito, G. Mangano, G. Miele, and O. Pisanti "The Standard and Degenerate Primordial
Nucleosynthesis versus recent experimental data", JHEP 0009 (2000) 038.
3. S. Esposito, G. Miele S. Pastor, M. Peloso, and O. Pisanti "Non Equilibrium spectra of degenerate relic
Neutrinos" Nucl. Phys. B590 (2000) 539.
4. G. Mangano and G. Miele, "Unstable Heavy Majorana Neutrinos and Leptogenesis" Phys. Rev. D62
(2000) 063514
5. P. Migliozzi, G. D'Ambrosio, G. De Lellis, F. Di Capua, G. Miele, and P. Santorelli, "A Search for Zprime in muon neutrino associated charm production" Phys. Lett. B462 (2000)19.
Relazioni a congressi
1. S. Esposito, G. Mangano, G. Miele, and O. Pisanti, ”Primordial Nucleosynthesis: accurate predictions”
Nucl.Phys.Proc.Suppl.81 (2000) 59
2. S. Esposito, G. Mangano, G. Miele, and O. Pisanti, “New results in primordial nucleosinthesys”
Nucl.Phys.Proc.Suppl.85 (2000) 292.
178
- -
TEORIE DI CAMPO CONFORMI ED EFFETTO HALL
QUANTISTICO
L.Cappiello, G. Cristofano, D. Giuliano, G. Maiella, V. Marotta
Attivita` 2000
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
ν=m/2mp+1, in termini di un campo scalare carico e di m-1 campi neutri. Si trova che
l'agebra dei campi chirali primari e` U(1)xWm. Inoltre le funzioni d'onda dello stato
fondamentale vengono espresse come correlatori di campi composti appropriati. 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. Vengono anche esplicitamente dati i correlatori di elettroni in
presenza di eccitazioni di quasihole per il caso m=2.
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 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 nu=m/2pm+1, in terms of one charged
scalar field and of m-1 neutral ones.We find that the algebra of the chiral primary fields is
U(1)xWm. Furthermore the ground state wave functions are expressed as correlators of
appropriate composite fields. 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. Correlators of electrons in the presence of Quasi-hole
excitations are also explicitly given for the m=2 case.
179
- -
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 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. Gerardo Cristofano, Giuseppe Maiella, Vincenzo Marotta “a twisted conformal field theory description of
the quantum hall effect” DSF-NA-T-43-99, Dec 1999. 11pp. Published in Mod.Phys.Lett.A15:547,2000
2. G. Cristofano, G. Maiella, V. Marotta “a conformal field theory description of the paired and
parafermionic states in the quantum hall effect.” 2000. Published in Mod.Phys.Lett.A15:1679-1688,2000
3. G. Cristofano, D. Giuliano, G. Maiella “The global phase diagram of a modular invariant twodimensional statistical model” Published in Phys. Lett. B504 (2001) 345 e-Print Archive: hep-th/0011069
TEORIA DI STRINGA E GRAVITA’ QUANTISTICA
L. Cappiello, F. Cuomo*, G. Fiore, A. Liccardo*, R. Musto, F. Nicodemi, R. Pettorino,
F. Pezzella, G. Sabella*.
- Utilizzando la tecnica del taglia e cuci abbiamo dimostrato come ottenere diagrammi di
Feynman, fino all’ordine perturbativo di due loops, della teoria scalare con interazione
quartica e con un gruppo di simmetria interna SU(N), partendo dalle ampiezze tachioniche
di stringa bosonica aperta. In un limite di bassa energia, opportunamente definito, abbiamo
identificato le regioni dello spazio dei moduli che riproducono le ampiezze di teoria di
campo, correttamente normalizzate ed espresse nella parametrizzazione di Schwinger.
- Studiando le Dp-brane frazionarie di tipo IIA su T_4/Z_2 e usando tecniche di
supergravità, con l’ausilio del formalismo degli stati di bordo, abbiamo costruito l’azione
effettiva di bassa energia per i campi generati dalle brane frazionarie, ne abbiamo costruito
l’azione di world volume e abbiamo trovato la corrispondente geometria classica.
- All’azione di world-volume delle brane frazionarie siamo anche pervenuti mediante la
tecnica del calcolo di ampiezze di scattering, dimostrando il perfetto accordo con la
derivazione puramente geometrica.
- Nel tentativo di pervenire ad una maggiore comprensione della congettura di Sen sul
potenziale tachionico nella teoria di stringa aperta abbiamo calcolato ampiezze tachioniche
off-shell sia nella stringa bosonica (aperta e chiusa) sia in quella di Neveu-Schwarz (aperta
180
- -
e chiusa), pervenendo al risultato che queste possono essere scritte nella stessa forma di
quelle on-shell.
Sono state inoltre studiate proprietà di spazi non commutativi, e precisamente:
- Geometria non commutativa di spazi e gruppi quantici: determinazione di "Cartan
frames" (vielbein) su spazi quantici. Prime applicazioni.
- Teoria delle rappresentazioni di gruppi quantici: Determinazione di trasformazioni che
disaccoppiano i fattori tensoriali di prodotti tensoriali "braided".
The following aspects of non commutative spaces have been studied too:
non commutative geometry of quantum spaces and groups: determination of
“Carton frames” on quantum spaces. First applications.
Representation theory of quantum groups: determination of decoupling
transformation for braided tensorial products.
Pubblicazioni
G. Fiore e J. Madore, Leibniz Rules and Reality Conditions}, Eur. Phys. J. C}, 17 (2000), 359.
G. Fiore, Drinfel'd Twist and $q$-Deforming Maps for Lie Group Covariant Heisenberg Algebras,
Rev. Math. Phys} 12 (2000), 327.
G. Fiore e J. Madore, The geometry of the quantum Euclidean space J. Geom. Phys.} 33 (2000), 257-287.
Proceedings
G. Fiore, On q-deformed Clifford algebras, in "Clifford Algebras and their Applications in Mathematical
Physics", (Proceedings del ``5th International Conference on Clifford Algebras'', Ixtapa, Mexico), Vol. 1:
Algebra and Physics, Ed. R. Ablamowicz e B. Fauser, Birkh\"auser (2000), 269-282.
B. L. Cerchiai, G. Fiore e J. Madore, Frame formalism for the N-dimensional quantum Euclidean spaces,
Int. J. Mod. Phys.} B14 (22,23):2305-2314 (2000), Proceedings dell'Euroconferenza Non-commutative
Geometry and Hopf Algebras in Field Theory and Particle Physics'', Villa Gualino (Torino), settembre 1999.
STRING THEORY AND QUANTUM GRAVITY
- By using the cutting and sewing technique we have shown how to get Feynman diagrams,
up to two-loop perturbative order, of scalar field theories with quartic interactions and
with an internal symmetry SU(N), starting from tachyon amplitudes in bosonic string
theory. In a low-energy limit, suitably defined, we have identified regions of the moduli
space reproducing field theory amplitudes, correctly normalized and expressed in the
Schwinger reparametrization.
- By studying the Dp-branes of type IIA on T_4/Z_2 and using supergravity techniques,
181
- -
we have constructed for the fields generated by fractionary branes the low energy effective
action
and the world-volume action, by showing the agreement with the purely geometrical
construction.
- We have derived the world-volume action for fractionary branes also by computing scattering amplitudes
and we have shown the perfect agreement with the result obtained through geometrical methods.
- In order to reach a deeper understanding of the Sen conjecture on the tachyon potential in
bosonic open string theory, we have computed off-shell tachyon amplitudes both in the
bosonic string (open and closed) and in the Neveu-Schwarz one (open and closed),
showing that these can be put in the same form as the corresponding on-shell counterparts.
Pubblicazioni
R. Marotta and F. Pezzella, “Two-loop \phi^4 Diagrams from String Theory”
Phys. Rev. D61 (2000) 106006
R. Marotta and F. Pezzella, “String Generated Quartic Scalar Interactions”
JHEP PRHEP-tmr 99/033 (2000)
Preprints
M. Frau, A. Liccardo and R. Musto, “The Geometry of Fractional Branes”,
preprint DFTT-42/2000, DSF-35-2000
P. Merlatti and G. Sabella,
“World-Volume Action for Fractionary Branes”, preprint DFTT-48/2000, DSF-39-2000
F. Cuomo, R. Marotta, F. Nicodemi, R. Pettorino, F. Pezzella and G. Sabella, “Off-shell Tachyon
Amplitudes: Analiticity and Projective Invariance”
preprint DSF-32-2000, NORDITA-2000-94 HE
MECCANICA STATISTICA
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*
Attività 2000
A. La transizione vetrosa
Abbiamo iniziato lo studio della violazione del teorema di fluttuazione e dissipazione in
modelli di liquido sottoraffreddato su reticolo. Il modello studiato, il gas reticolare frustrato
182
- -
di Ising, è stato recentemente da noi introdotto in connessione alla transizione vetrosa. In
esso le particelle, aventi un grado di libertà interno (orientazionale), sono soggette a
interazioni contenenti disordine congelato. La presenza di disordine esplicito
nell'Hamiltoniana consente, differentemente da quanto accade in modelli che ne sono privi,
di misurare la distribuzione degli overlap di due configurazioni all'equilibrio, dandoci
quindi la possibilità di verificare la predizione, basata sull'analogia con i modelli di vetro a
p-spin in campo medio, che tale distribuzione degli overlap sia direttamente collegata alla
risposta a una piccola perturbazione che si misura in esperimenti di non equilibrio.
Abbiamo osservato che, mentre la risposta di non equilibrio presenta un comportamento
tipico dei modelli con uno step di rottura della simmetria di replica, la distribuzione degli
overlap è tipica invece dei modelli con rottura di simmetria continua. Questo fatto
suggerisce che nei modelli vetrosi ci possa essere in generale un disaccordo tra quantità di
equilibrio e di non equilibrio, dovuta al fatto che i tempi per raggiungere il ‘regime
asintotico’, in cui l'accordo dovrebbe essere verificato, non sono raggiungibili in tempi di
calcolo accessibili.
Il modello gas reticolare frustrato è stato inoltre studiato nel caso in cui il disordine evolve
nel tempo con un vincolo cinetico opportuno. In questo caso il modello, che non presenta
nessuna transizione termodinamica, mostra un comportamento dinamico complesso molto
simile a quello osservato nei sistemi vetrosi e ben descritto dalla teoria di mode coupling
per i liquidi sottoraffraddati.
B. Materiali granulari
Abbiamo studiato la possibilità di introdurre concetti di Meccanica Statistica per descrivere
sistemi non termici come i mezzi granulari. Il nostro approccio si e' basato sull'analogia
con lo studio delle ‘strutture inerenti’ dei materiali vetrosi. Le strutture inerenti sono le
configurazioni di un materiale vetroso raffreddato velocemente a temperatura zero dopo
essere stato equilibrato a una data temperatura T. E’ stato mostrato che esse giocano un
ruolo importante per caratterizzare sia la statica che la dinamica di questi sistemi.
C. Vortici nei superconduttori
La fisica dei vortici nei superconduttori di alta temperatura critica ha mostrato l'esistenza
di fenomeni nuovi ed interessanti, al punto che si parla esplicitamente di ‘vortex matter’
per riferisi ad essa. In particolare, si e' scoperto che i fenomeni di non equilibrio giocano
un ruolo essenziale nel caratterizzare il comportamento di questi materiali. 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 fenomeni di ‘memoria’ ed
‘aging’ osservati nelle proprietà magnetiche e di trasporto di questi sistemi.
D. La transizione sol-gel
Il processo di gelazione è un fenomeno tipico di molti sistemi di interesse sia scientifico
che tecnologico, caratterizzato dal cambiamento nelle proprietà visco-elastiche in una
soluzione polimerica in corrispondenza della costituzione di una struttura polimerica
macroscopica, la fase gel. In particolare i processi di rilassamento complessi e non
esponenziali presentano forti analogie con i meccanismi di rilassamento nei sistemi vetrosi.
183
- -
Il network polimerico e' permanente nel caso della gelazione forte mentre nella gelazione
debole i legami sono reversibili e la fase gel è caratterizzata da una struttura percolante che
evolve dinamicamente: in questo caso non si osserva una soglia netta di transizione, ma
piuttosto una regione di transizione tra due diversi regimi viscoelastici.
Abbiamo
approfondito lo studio del comportamento critico delle proprietà visco-elastiche e dei
processi di rilassamento nel caso della gelazione forte mediante un modello percolativo
dinamico e abbiamo analizzato i risultati ottenuti nel quadro degli ultimi risultati degli
esperimenti e di altri modelli. Abbiamo intrapreso lo studio dei fenomeni di gelazione
debole e analizzato le diverse possibilità di introdurre legami non permanenti nel modello
utilizzato per lo studio della gelazione forte.
Programma 2001
A. La transizione vetrosa
Abbiamo in programma di estendere lo studio al modello di gas reticolare con vincoli
cinetici ma senza disordine congelato. In questo caso la distribuzione degli overlap
all'equilibrio è banale (una delta in q=0), a cui corrisponde una risposta di non equilibrio
che soddisfa il teorema di fluttuazione e dissipazione. Risultati preliminari mostrano che la
risposta di non equilibrio presenta due regimi temporali. Nei tempi brevi, si osserva una
risposta tipica dei sistemi vetrosi, con un rapporto fluttuazione dissipazione costante a
tratti. Nei tempi lunghi il sistema tende all'equilibrio, e la risposta tende a ritornare al
valore previsto dal teorema di fluttuazione dissipazione.
Ci proponiamo inoltre di studiare modelli con disordine autogenerato la cui dinamica non
sia imposta dall’esterno ma abbia origine automaticamente dalla forma dell’Hamiltoniana.
B. Materiali granulari
C. Vortici nei superconduttori
Nel contesto della nostra attività scientifica nel campo dei fenomeni fisici dei sistemi
disordinati fuori equilibrio, una delle nostre linee di ricerca future riguarda lo sviluppo
della meccanica statistica dei sistemi non termici come i materiali granulari e di una
descrizione teorica della dinamica vetrosa dei vortici nei superconduttori.
D. Transizione sol-gel
Intendiamo studiare le proprietà dinamiche alla transizione di gelazione debole mediante
simulazioni Monte Carlo di modelli di meccanica statistica. In particolare studieremo il
modello percolativo dinamico da noi introdotto nel caso di una struttura percolante che
evolve dinamicamente a causa di legami non permanenti. Approfondiremo in particolare lo
studio dei processi di rilassamento nel caso della gelazione debole.
Activity 2000
A. Glass transition
184
- -
We have started the study of the violation of the fluctuation-dissipation theorem in models
of supercooled liquids on the lattice. We have studied the frustrated Ising lattice gas, that
we have recently introduced in connection with the glass transition. In that model particles
with an internal (orientational) degree of freedom are subject to interactions containing
quenched disorder. The presence of explicit disorder in the Hamiltonian allows, differently
from what happens in models that lack it, to measure the overlap distribution between two
configurations at equilibrium, giving us the possibility to verify the prediction, based on
the analogy with p-spin models in mean field, that this distribution is directly connected to
the response to a small perturbation that one can measure in non-equilibrium experiments.
We have observed that, while the non-equilibrium response shows a pattern tipical of
models with one-step replica simmetry breaking, the overlap distribution is instead tipical
of models with continous simmetry breaking. This suggests that in glassy models there
could be in general a disagreement between equilibrium and non-equilibrium quantities,
due to the fact that the times needed to reach the ‘asymptotic regime’, in which the
agreement should be verified, cannot be reached within acessible calculation times.
Moreover we have studied the frustrated lattice gas model in the case where disorder
evolves as function of time with a kinetic constrain. In that case the model, that does not
present any thermodynamic transition, shows a complex dynamic behavior very similar to
that observed in glassy systems and well described by the mode-coupling theory for
supercooled liquids.
B. Granular Media
We have been studying the possibility to introduce concepts from Statistical Mechanics to
describe non thermal systems such as granular media. Our approach is based on the
analogy with the study of ‘inherent structures’ of glass formers materials. Inherent
structures are the confgurations of a quenched glass former to zero temperature after being
equilibrated at a given temperature T. We showed these structures play an important role to
characterize both the statics and dynamics of these systems.
C. Vortices in superconductors
The physics of vortices in superconductors with high critical temperature has shown the
existence of many new and interesting phenomena, which are nowdays explicitely referred
to as ‘vortex matter’ physics. In particular, it has been discovered that off-equilibrium
phenomena play an essential role to characterize these materials behaviour. We have
introduced a theoretical model for vortices out of equilibrium dynamics, which, for the first
time, has given a unified framework of ‘memory’ and ‘aging’ phenomena observed in
magnetic and transport properties of these systems.
D. Sol-gel transition
The gelation process is a phenomenon typical of many systems which have both a
scientific and technological relevance. It is characterized by the dramatic change in the
viscoelastic properties of a polymeric solution corresponding to the constitution of a
macroscopic polymeric structure, the gel phase. In particular the complex and nonexponential relaxation processes present some analogies with the relaxation mechanisms in
185
- -
glassy systems. The polymeric network is permanent in the case of strong gelation,
whereas in the weak gelation the gel phase is characterized by a percolating structure
dinamically evolving: in this case no sharp transition threshold is observed, but rather a
transition region between two different viscoelastic regimes. We have studied the
viscoelastic properties critical behaviour and the relaxation process in the case of strong
gelation by means of a percolation dynamic model and have analized the results within the
latest experimental findings and the other models results. We have studied the weak
gelation phenomena and the possibility of introducing reversible bonds in our model for
strong gelation.
Program 2001
Glass transition
We plan to extend this study to a lattice gas model with kinetic costraints but without
explicit disorder. In this case the overlap distribution is trivial (a delta function in q=0),
which corresponds to a non-equilibrium response verifing the fluctuation-dissipation
theorem. Preliminar results show that the non-equilibrium response shows two temporal
regimes. In the short times one observes a response tipical of glassy systems, with a
piecewise constant fluctuation-dissipation ratio. In the long times the model tends to
equilibrium, and the response tends to the value given by the fluctuation-dissipation
theorem.
Moreover we want to study models with self-generated disorder whose dynamics is not
imposed from the outside, but automatically originates from the Hamiltonian.
B. Granular Materials
C. Vortices in superconductors
In the framework of our scientific activity in the field of physical phenomena of disordered
and off-equilibrium systems, one of our future research line concerns the development of a
Statistical Mechanics of non thermal systems such as granular media and of a theoretical
description of glassy dynamics of vortices in superconductors.
D. Sol-gel transition
We will continue the study of the dynamic properties at the weak gelation transition by
means of numerical simulations of statistical mechanics models. In particular we will study
our percolation dynamic model in the case of a percolating structure dynamically evolving
due to reversible bonds. We will study the relaxation process in the weak gelation process.
Pubblicazioni 2000
1. D.K. Jackson, M. Nicodemi, G. Perkins, N. Lindop, H.J. Jensen, ‘Vortex Clustering: The Origin of the
Second Peak in the Magnetisation Loops of Type Two Superconductors’, Europhys. Lett. 52, 210
(2000).
186
- -
2. 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, ‘Universal Fluctuations in Correlated Systems’, Phys. Rev. Lett. 84,
3744 (2000).
3. M. Nicodemi and H.J. Jensen, ‘Second magnestisation peak relaxation in a model for vortices in
superconductors’, Physica C 341, 1065 (2000).
4. M. Nicodemi, ‘Domains growth and packing properties in driven granular media subject to gravity’,
Physica A 285, 267 (2000).
5. Coniglio and M. Nicodemi, ‘The jamming transition of Granular Media’, Jour. Phys.: Cond. Matt. 12,
6601 (2000).
6. A. Fierro, A. de Candia and A. Coniglio, ‘Glass transition in the quenched and annealed version of the
frustrated lattice gas model’, Phys. Rev. E 62, 7715 (2000).
7. E. Del Gado, L. de Arcangelis, A. Coniglio, ‘Viscosity critical behaviour at the gel point in a 3d lattice
model’, European Physical Journal E 2, 359 (2000).
8. A. Beaton, C. De Coste, D. Hunter and A. Coniglio, ‘Equilibrium and quenched energy distribution for
spin Glasses’, Int. J. Mod. Physics C 11, 41 (2000).
9. A. Coniglio, ‘Geometrical approach to phase transitions in frustrated and unfrustrated systems’, Physica
A 281, 129 (2000).
DINAMICA LENTA E SISTEMI D’INTERESSE BIOLOGICO
Luca Peliti
Collaboratori: A. Ajdari (ESPCI, Parigi), R. Exartier (Jussieu, Parigi e “Federico II”, Napoli), J.-B. Fournier
(ESPCI, Parigi), Y. Kafri (Weizmann, Israele), D. Mukamel (Weizmann, Israele)
Abbiamo introdotto e risolto un modello di misura termometrica in un sistema mantenuto
fuori mediante l’applicazione di una forza costante di “stirring”. Il modello conferma che
un termometro a risposta lenta, messo in contatto con il sistema, segna una temperatura
superiore alla temperatura ambiente, mentre un termometro a risposta più veloce segna la
temperatura ambiente. Viene così confermata l’importanza della nozione di “temperatura
efficace” per sistemi a dinamica lenta fuori dall’equilibrio.
Abbiamo mostrato che recenti risultati sulla statistica di reti polimeriche in soluzione
permettono di capire perché la transizione di denaturazione del DNA è del primo ordine,
invece che continua come predetto da tutte le teorie fin qui disponibili.
Abbiamo mostrato che l’ordine smettico in ciascuno degli strati di una membrana anfifilica
tende a piegare la membrana in cilindri, e abbiamo congetturato che questo effetto spiega
le osservazioni di tubuli formati da membrane anfifiliche recentemente osservati.
Pubblicazioni
1.
Y. Kafri, D. Mukamel, and L. Peliti Why is the DNA denaturation transition first order?
Phys. Rev. Lett. 85, 4988-4991 (2000). PDF, Postscript
2. R. Exartier, L. Peliti Measuring effective temperatures in out-of-equilibrium driven systems,
Eur. Phys. J. B 16, 119-126 (2000). PDF
3. J.-B. Fournier and L. Peliti, Comment on "Theory for the bending anisotropy of lipid membranes and
tubule formation", Phys. Rev. E 63, 013901 (2001) (2 pages)
187
- -
MODELLI RISOLUBILI IN MECCANICA QUANTISTICA
R. Figari
Nell'ambito dello studio delle interazioni puntuali, in meccanica quantistica ed in teoria dei
campi, sono stati analizzati potenziali dipendenti dal tempo e non lineari.
Ai potenziali di questa classe corrispondono dinamiche che mostrano comportamenti tipici
di sistemi complessi, pur mantenendo un alto grado di risolubilità, che li rende adeguati
alla costruzione di modelli in meccanica quantistica fondamentale ed applicata.
Le interazioni non lineari, ad esempio, sono state utilizzate in letteratura per la descrizione
di particelle cariche in presenza di impurità concentrate in regioni limitate e come modelli
di interazione tra particelle quantistiche e un apparato di misura.
Sono stati ottenuti risultati rigorosi sui tempi di ionizzazione di atomi modello e sui tempi
di decoerenza in sistemi quantistici in interazione debole con l'ambiente esterno.
SOLVABLE MODELS IN QUANTUM PHYSICS
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.
Dynamics generated by such hamiltonians show features typical of complex systems, in
spite of the fact that propagators are known in explicit form. This makes them particularly
suited for models of quantum systems in fundamental and in applied quantum physics.
In particular nonlinear zero range potentials were used to analyse systems of charged
particles interacting with impurities concentrated in small regions or to describe
interactions between a quantum system and a measure apparatus.
We obtained rigorous results on the decay properties of the survival probability of a bound
state of a model-atom perturbed by a periodic force and on the rate of decoherence in
quantum systems interacting weakly with the environment.
Pubblicazioni:
G. F. Dell'Antonio, R. Figari, and A. Teta, "The Schrödinger equation with moving point interactions in three
dimensions", Can. Math. Soc. Conf. Proc., 28, 99-113, (2000)
Lavori di rassegna per atti di conferenze
R. Figari, Time Dependent and Nonlinear Point Interactions, In Mathematical Physics and Stochastic
Analysis - Albeverio S., Blanchard Ph., Ferreira L., Hida T., Kondratiev Y., Vilela Mendes R. eds., World
Scientific, 184-197, (2000)
STORIA DELLA FISICA TEORICA
G. Acocella*, F. Bevacqua*, D. Capecchi*, P. Cerreta*, A. Drago, R. Fedele, P. Iacono*, A. La Sala*, R.
Oliva*, A. Pellegrino*, R. Pisano*, F.M. Scarpa, G. Sorrentino*, A. Venezia*
Attività 2000
188
- -
Casi storici: Il problema dei due corpi e dei tre corpi in astronomia teorica. La
alternativa programmata da Leibniz nella meccanica; edizione critica degli scritti brevi di
Leibniz sulla meccanica. Analisi critica della meccanica: il principio di d'Alembert;
Angiulli e il principio dei lavori virtuali; storia del principio dei lavori virtuali in generale;
il principio e Lagrange. La geometria di L. Carnot. Volta e una nuova interpretazione della
storia dell'elettromagnetismo. La nascita della termodinamica in Sadi Carnot. Lobacevskii
e le geometrie non euclidee. Geometria non euclidea e relatività. La relatività ristretta
secondo Weyl. La meccanica quantistica secondo Weyl; l'introduzione di Weyl della teoria
dei gruppi nella meccanica quantistica. La logica della meccanica quantistica:
interpretazioni a confronto.
Casi storici di fondamenti della Fisica (esaminati mediante le due opzioni, sul tipo
di infinito matematico e sul tipo di logica; le quali danno luogo a quattro modelli di teoria
scientifica): precisazione dei concetti fondamentali della fisica classica e loro variazioni
radicali di significato; rapporti possibili tra fisica e matematica costruttiva e sue soluzioni
nel passato e attualmente; estensione della meccanica di L. Carnot al caso di accelerazioni
variabili con continuità; i problemi dei due corpi e dei tre corpi nella astronomia esaminato
secondo la matematica costruttiva; termodinamica di S. Carnot vista secondo la
matematica costruttiva e la logica non classica; le quattro geometrie di Poincaré, la
geometria inversiva e i quattro modelli di teoria scientifica; riformulazione della relatività
ristretta nel quadro delle quattro geometrie di Poincaré e dei quattro modelli di teorie
scientifica; il recente dibattito sulla meccanica quantistica e la matematica costruttiva;
teorie della logica basate su un problema; interpretazione della storia della matematica nel
1900; nuovo approccio alla logica non classica quantistica; il programma di Weyl di
rifondazione della fisica moderna e sua rivalutazione con la matematica costruttiva.
Studi storiografici mediante le categorie interpretative delle due opzioni suddette:
confronto di tutte le storiografie della scienza e interpretazione secondo le due opzioni;
classificazione di tutte le categorie utilizzate finora.
Studi e attività didattiche e generali: didattica dell'analisi 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; interpretazione della
strategia di Sun Tzu e di Clausewitz mediante la logica non classica. Modelli matematici e
fisici dei conflitti. Partecipazione al cons. scientifico del Centro Interuniv. Region.
Bioetica.
Programma
Casi storici: edizione critica del libro inedito di Leibniz sulla meccanica; meccanica
di d'Alembert; Lagrange e il principio dei lavori virtuali; la geometria di L. Carnot;
edizione critica degli scritti di L. Carnot sull’analisi infinitesimale; la storia della teoria dei
gruppi, in Galois e in F. Klein; analogie tra termodinamica e meccanica; teoria della
complessità in astronomia e in generale; geometria e relatività ristretta; il ruolo
fondazionale della trigonometria per la relatività; analisi critica dei lavori di H. Weyl in
relatività ristretta; meccanica di L. Carnot trasportata in relatività ristretta; teoria algebrica
dei gruppi in meccanica quantistica; logica della meccanica quantistica; equazioni
Schroedinger-like; interpretazione del teorema di Goedel.
Casi storici sui fondamenti della Fisica: la meccanica di L. Carnot ricostruita
secondo le due opzioni; ricostruzione della termodinamica di S. Carnot secondo le due
189
- -
opzioni; interpretazione del teorema di Goedel; la versione delle simmetrie continue
secondo la matematica costruttiva; meccanica quantistica e matematica costruttiva; logica
paraconsistente e modello problematico dell'organizzazione di una teoria fisica; teoria della
complessità e matematica costruttiva; riformulazione della relatività ristretta sulla base
della teoria dell'urto di L. Carnot e delle due opzioni; logica quantistica riformulata
secondo la logica intuizionista; teoria della complessità secondo le due opzioni.
Studi storiografici: storiografia di Lagrange; storia della teoria della complessità;
sua interpretazione della storia della Fisica e sua interpretazione secondo le due opzioni.
Studi e attività didattiche e generali: teoria della didattica della fisica; proposta
didattica della meccanica di Leibniz; 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; collaborazione con lo Smithsonian Inst. per il museo
itinerante; fondamenti della teoria bioetica. Partecipazione al Consiglio scientifico del
CIRB (Centro Interuniv. Ricerca Bioetica).
2000 Activities
Historical case-studies: the problem of two-body and three-body in theoretical
astronomy; Leibniz' program for an alternative to Newton's mechanics; critical edition of
Leibniz' last short writings on mechanics. Critical analysis of mechanics: d'Alembert's
principle, Angiulli and the principle of virtual velocities; history of this principle;
relationship between this principle and Lagrange's mechanics. L. Carnot's geometry. Volta
in the history of electromagnetism. The birth of thermodynamics in S. Carnot's work.
Lobatchevskii and non-Euclidean geometries. Non-Euclidean geometries and special
relativity. Special relativity according to H. Weyl. The introduction of group theory inb
quantum mechanics; history of Schroedeinger-like equations. Comparison of the
interpretations of Quantum logic.
Case-studies 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): accurate definition of the basic notions in classical
theoretical physics and their radical variations in meanings. Extension of L. Carnot's
mechanics to continuous dynamics. Two-body and three-body problems examined
according to constructive mathematics. S. Carnot's thermodynamics examined according to
both constructive mathematics and non-classical logic. The four Poincaré's geometry,
inversive geometry and special relativity. A new interpretation of the history of
electromagnetism; the four geometries according to Poincaré and the four models of
scientific theory; reformulation of special relativity according to both Poincaré's four
geometries and four models of scientific theory. Theories of logic based upon a problem.
Interpretation of the history of mathematics in 20th Century. A new approach to quantum
logic. Weyl's program for re-founding the whole modern physics and its re-evaluation
according the two basic options.
Historiographical studies by means of the categories of the two options:
comparison of all historiographies on science according to the two options; and
classification of all suggested categories.
Studies and activities on didactis and of general nature: didactics of calculus
according to both Cavalieri method of indivisibles and Weyl elementary mathematics;
didactis of Leibniz’s dynamics. Physics museum theory; a physics museum of running and
190
- -
interactive type. Peace education and scientific education. Theory of conflict resolution;
strategic theories of both Sun Tzu and Clausewitz examined by means of non-classical
logic. 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;
d'Alembert's mechanics; Lagrange and the principle of virtual velocities; L. Carnot's
geometry. Critical edition of L. Carnot's studies on foundations of calculus. History of
group theory, the cases of Galois and F. Klein. Analogies between thermodynamics and
mechanics. Complexity theory in astronomy and in general. The role played by
trigonometry in the foundation of special relativity. Critical analysis on H. Weyl's work on
special relativity; L. Carnot's mechanics translated in special realtivity. Algebraic group
theory in quantum mechanics. Non-classical logic in quantum mechanics. History of
Schroedinger-like equations. Goedel theorem.
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; paraconsistent 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: historiography by Lagrange. History of complexity theory;
its interpretation of History of Physics; a new interpretation of it through two options.
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. Theory of interactive muiseums;
collaboration with the Smithsonian Inst. on running museum. Foundations of bioetical
theory; participation to the Scientific Committee of CIRB Naples.
Pubblicazioni nazionali
1. G. Acocella: Geometria e spazio alla fine del 1800, in E. Schettino (ed.): Atti XX Conv. Naz. Storia della
Fisica, Napoli 2000
2. F. Bevacqua: La meccanica di d'Alembert, in E. Schettino (ed.): op. cit.
3. D. Capecchi: La storia del principio dei lavori virtuali, Esperia, Napoli, 2000
4. D. Capecchi: La meccanica basata sul principio dei lavori virtuali in Angiulli, ????
5. D. Capecchi: Le Recherches sur la libration de la Lune di Lagrange e il principio dei lavori virtuali, in E.
Schettino, op. cit.
6. P. Cerreta: Radicali variazioni di significato nelle nozioni basialari della fisica classica, in E. Schettino
(ed.): op. cit.
7. A. Drago: Sulle categorie storiografiche utilizzate dagli storici, in E. Schettino (ed.): op. cit.
8. A. Drago: La matematica è senza conflitti? Matematica dei conflitti e conflitti in matematica, Atti Fond.
Ronchi, 55 (2000) 243-259.
9. A. Drago: Il problema dei due corpi: sintesi storica ed esame delle soluzioni con la matematica
costruttiva, in P. Calledda ed E. Proverbio (eds.): Atti del Convegno di Storia dell'Astronomia, CUEC,
Cagliari, 2000, 265-283.
191
- -
10. A. Drago: Il problema dei tre corpi: sintesi storica e confronto con la matematica costruttiva, in E.
Proverbio e P. Tucci (eds.): Lo sviluppo delle ricerche in Meccanica e in Astronomia nell'Ottocento e nel
Novecento, Istituto di Fisica Generale e Applicata, Università di Milano, 2000, 170-180.
11. A. Drago: Modelli logici, matematici e fisici dei conflitti e delle loro soluzioni, in M. Zucchetti (ed.):
Contro le nuove guerre. Scienziati e scienziate contro la guerra, Odradek, Roma, 2000, 73-81.
12. A. Drago: Interpretazione e ricostruzione delle Réflexions di Sadi Carnot mediante la logica non classica,
Giornale di Fisca, 41 (2000) 195-215 (con R. Pisano).
13. A. Drago: Nuova ni terpretazione della storia dei fondamenti della matematica nel XX secolo, in G.
Isernia (ed.): Il ruolo della Matematica nella società contemporanea, Barletta, 2000.
14. A. Drago: Undici maniere di presentare la difesa popolare nonviolenta, in C. Tugnoli (ed.): Tra il dire e il
fare. L’educazione alla prassi dei diritti umani. Annali 1999, Franco Angeli, Milano, 2000, 171-191.
15. A. Drago e F. Pezzullo: Logica e strategia - Analisi della teoria di K. Clausewitz, Teoria Politica, 2000,
n. 3.
16. G. Covone e A. Drago: L'Arte della guerra in Sun Tzu, Quaderni Asiatici, n. 52, genn.-marzo 2000, 4762
17. A. Drago: Etica e scienza: una fondazione comune, secondo una visione pluralista, in L. Chieffi (ed.):
Bioetica e diritti dell'uomo, Paravia Scriptorium, Torino, 2000, 303-331.
18. A. Pellegrino: Nuova interpretazione dell'origine della geometria non euclidea in Lobacevskij, ibidem.
19. R. Pisano: La interpretazione della nota matematica delle Réflexions di S. Carnot, in E. Schettino (ed.):
op. cit.
20. F. Scarpa: I fondamenti della relatività ristretta in H. Weyl, in E. Schettino (ed.): op. cit.
21. G. Sorrentino: La via geometrica alla relatività ristretta: dalla geometria inversiva al gruppo di Lorentz, in
E. Schettino (ed.): op. cit.
22. A. Venezia: Classificazioni delle teorie sulla logica quantistica: un'analisi interpretativa, in E. Schettino
(ed.): op. cit.
1) A. Drago: A new Mathematics for the New Theory of Quantum Mechanics. The Fate of H. Weyl's
Program of Research, Atti Fond. Ronchi, 55 (2000) 387-425
2) A. Drago: Logic and the ideal of apodictical Science, Metalogicon, 13 (2000) 9-28.
3) A. Drago: Which kind of Mathematics for Theoretical Physics? A survey of past debate and its solution,
Atti Fond. G. Ronchi, 56 (2001) 115-131.
4) A. Drago:Which kind of mathematics for quantum mechanics? The relevance of H. Weyl's program of
research, in A. Garola, A. Rossi (eds.): “Foundations of Quantum Mechanics. Historical Analysis and
Open Questions”, World Scientific, Singapore, 2000, 167-193.
5) A. Drago: The several categories suggested for the "new historiography of science": an interpretative
analysis from a foundational viewpoint, Epistemologia, 23 (2000), 237-266.
6) A. Drago: Non-violence as a science of conflict resolution, Anuvibha Reporter, 5, Dec. 2000, 11-116.
Participartion to the Scientific Committee
of the Inter-University Center for Reasearch on Bioethics of Naples
192
- -
METODOLOGIE FISICHE APPLICATIVE
(Responsabile della sezione: Prof. Ennio Bertolucci)
193
- -
194
- -
ACUSTICA
TRASFORMAZIONI ADATTIVE TEMPO VARIANTI DI SEGNALI E
MODELLI MULTIWAVELET DEL SEGNALE ACUSTICO
S.Cavaliere, G. Evangelista
Attività 2000
Trasformazione del contenuto in frequenza del segnale
Continuando una linea di ricerca già avviata, riguardante la trasformazione del contenuto in
frequenza di un segnale, il principale risultato consiste nella definizione di una nuova trasformata
la cosiddetta ‘short time Laguerre transform’ e nello studio delle sue proprietà. Il punto di
partenza é costituito dalla trasformata di Laguerre a parametro tempo-variante, già introdotta e
caratterizzata nelle precedenti fasi di questa ricerca. La nuova trasformata risolve alcuni dei
problemi di questa trasformata di Laguerre tempo-variante, principalmente il problema dello
sfasamento delle diverse componenti di frequenza, che altera, spesso in modo significativo, il
segnale acustico fino a comprometterne la riconoscibilità. Questa circostanza é dovuta al ritardo
variabile delle varie componenti del segnale. Per segnali di breve durata questi ritardi relativi
non creano problemi apprezzabili, viceversa nel caso di durate lunghe i ritardi possono
presentarsi sotto forma di artefatti inaccettabili. La versione ‘a tempo breve’ introdotta risolve in
gran parte questi problemi aprendo la possibilità di effettuare trasformazioni in frequenza su
segnali di lunga durata, ma, soprattutto consentendo una implementazione in tempo reale della
trasformata, in una versione adatta a segnali di durata ‘infinita’. Questo aspetto si lega anche ad
una caratteristica della trasformata che é quella di necessitare una inversione del tempo, per la
sua implementazione. Nella versione da noi definita, detta ‘trasformata di Laguerre a tempo
breve’ (STLT) in analogia alla trasformata di Fourier a tempo breve (STFT), la trasformazione di
Laguerre viene fatta su segmenti di segnale moltiplicati per una opportuna finestra. La breve
durata dei segmenti riduce praticamente a zero gli effetti di ritardo di fase variabile con la
frequenza. D’altro canto con l’uso di opportune finestre la ricostruzione mediante la tecnica
usuale di ‘overlap and add’ (OLA) risulta produrre bene il segnale dopo avervi impresso le
desiderate trasformazioni di frequenza. Infine, la versione per segmenti, permette, mediante
inversione del tempo in ogni segmento elementare, di effettuare la trasformazione di Laguerre,
consentendo il requisito del tempo reale, con la semplice latenza della lunghezza del segmento.
Modelli wavelet multibanda del segnale acustico
Questa ricerca é rivolta alla caratterizzazione (analisi) ed alla sintesi di una vasta gamma di
segnali acustici prodotti da diversi meccanismi fisici oscillatori; questi segnali sono caratterizzati
da una struttura sostanzialmente armonica, in cui però il contenuto in frequenza delle bande
intorno alle armoniche mostra un andamento per segmenti di iperbole. Queste bande laterali
contengono la rappresentazione in frequenza delle microfluttuazioni stocastiche del segnale
rispetto all’ andamento puramente periodico. Di conseguenza esse sono responsabili
dell’evoluzione spettrale del suono e con questa della sua individualità e riconoscibiltà. Grazie
alla particolare partizione (tiling) del piano tempo/frequenza offerto dalle wavelet cosiddette a
bande armoniche (harmonic band wavelets), con contenuto centrato sulle armoniche della
frequenza base, queste possono essere usate per modellare gli spettri sopra descritti. Il punto di
partenza é il comportamento periodico in frequenza di questo particolare tipo di wavelet che
appunto si presta di base a modellare e sintetizzare la componente stocastica di fenomeni
pseudoperiodici.
Questa tecnica, unita alla sintesi deterministica della parte armonica del
195
- -
segnale, modellata anch’ essa mediante wavelet, rappresenta un modello qualitativamente molto
fedele per la risintesi di suoni pseudo periodici.
Questa modellizzazione risulta efficiente sia per segnali da strumenti che per il segnale vocale.
Programma 2001
Principale aspetto sarà lo studio delle proprietà della trasformata di Laguerre a tempo breve
introdotta e il suo uso in differenti campi, soprattutto per il segnale acustico, in particolare
nell’analisi e sintesi di strumenti con caratteristiche spettrali che evolvono nel tempo,
caratteristica questa, presente in diversa misura in tutti i meccanismi alla base dei fenomeni
ondulatori in acustica. In particolare poi sarà studiata l’applicazione ai suoni vocali. In questi
suoni difatti, il warping di un intero segmento sonoro produce risultati acusticamente
inaccettabili; la versione a tempo breve della trasformata, invece, potrà, mediante uso delle
opportune finestre e delle opportune lunghezze di segmento, consentire operazioni sul pitch
vocale, intese alla modifica dell’intonazione del parlato, per varie applicazioni, non ultima il
riconoscimento vocale o la codifica della voce con numero ridotto di bit.
Un secondo aspetto legato al fatto che la trasformazione introdotta, pur essendo composta dalle
ordinarie operazioni del DSP, risulta computazionalmente molto intensiva, riguarda la ricerca di
algoritmi ottimali per l’implementazione in tempo reale.
Per quanto riguarda i modelli wavelet multibanda del segnale acustico pseudoperiodico, la
ricerca andrà avanti nella direzione di identificare i modelli di rumore meglio adatti alla sintesi
descritta per diverse classi di strumenti e per la voce. Un secondo aspetto sarà costituito dall’uso
delle wavelet a banda arbitraria, introdotte in passato nella stessa ricerca, allo scopo di consentire
la necessaria libertà nell’ allocare bande di rumore; usando strutture non perfettamente
armoniche é possibile rispettare la particolare distribuzione delle armoniche, che in alcuni
strumenti costituisce una caratteristica timbrica importante contribuendo quindi alla qualità della
risintesi. Naturalmente la qualità della risintesi può poi, in sede di creazione di sonorità e timbri
nuovi, costituire un’ulteriore grado di libertà nella sintesi del suono.
2000 activity
Transforming the frequency content of signals
Continuing in the research line which concerns the modification of the frequency content of a
signal, the main result is the definition of a new transform, the so called “short time Laguerre
transform” (STLT) and the study of its properties.
Starting point is the time varying Laguerre transform already introduced by the authors in a
previous stage of the same research.. The new transform solves some of the problems and
misadvantages of the time varying Laguerre transform, due mainly to different phase delays in
different frequency bands; this delay modifies, often in a significant way, the signal and its own
distinctive timbral features. While for short signal duration is, different delays for different
frequency component do not affect the signal, in the case of long duration, on the contrary,
delays may result in heavy artefacts. The ìshort timeî version, introduced by us, solves most of
these problems opening the opportunity of using this kind of transform even for long signals;
also, more important, a real time version of the transform becomes feasible, which works easily
for ‘infinite’ duration signals. This feature is connected to the time reversal operation requested
by the Discrete Laguerre transform. In our version, called ‘short time Laguerre Transform’
(STLT) in analogy with the short time Fourier Transform (STFT), the Laguerre transformation is
performed on short signal segments, windowed by proper time windows. The short segment
duration reduces drastically the difference between phase delays at different frequency bands.
196
- -
By choice of proper windows, using the ordinary overlap and add (OLA) technique the
reconstruction performs properly and the signal shows the desired frequency transformations.
Finally by segmenting the signal, time reversal and the Laguerre transformation is easily
accomplished in real time, for very long signals; latency is limited to the short segment duration.
Harmonic Band Wavelet models of sound
This research is aimed to modelling and synthesis of a large range of sound signal, produced by
different physical mechanisms; these signals exhibits harmonic features: harmonic peaks whose
sidebands behave approximately as hyperbolic segments. These sidebands contain the frequency
representation of the stochastic micro-fluctuations of the signal, with respect to a pure periodic
behavior. Due to its particular time-frequency tiling the Harmonic Band Wavelet Transform
provides an ideal tool to deal with such a spectral behavior from both the analysis and synthesis
points of view. Their peculiarity is to reproduce the ordinary wavelet spectral behavior in a
periodic way. These periodic spectra can be tuned and reshaped according to the pitch and
spectrum of any pseudo-periodc signal. Our technique thus can reconstruct the stochastic
component of pseudo-periodic signals, so important in order to perceive sounds as natural ones.
The model, combined with a deterministic synthesis of the harmonic part of the sound, also
based on wavelets, forms a powerful synthesis method that preserves the naturalness of sounds
with respect to sinusoidal models.
Program for 2001
Main aspect will be the analysis of the properties of the short time Laguerre transform and its use
in different applications, mainly for the modification of the sound signal. This work will be done
particularly for the analysis and synthesis of signals showing time varying spectral features, as
usual for naturally produced sounds.
In particular voice signals will be analysed and transformed by use of these techniques. In this
case, warping a long segment by use of our previously introduced time-variant Laguerre
Transform, while for analysis may be invaluable, produces poor results from an acoustical point
of view. The Short Time version of the transform, in turn, by use of proper windows and
segment length, may allow modification of the pitch, in order to modify intonation, for different
purposes, ranging from speech recognition or efficient coding of the speech signal.
A second concern will be the search for optimal algorithms, since the implementation, even if the
transform uses only ordinary DSP operations, is computationally intensive.
As far as regards Multiband Wavelet Models of sound our main concern will be that of
experimenting the synthesis of various classes of instruments in order to identify for each class
the noise models which allow the best fit of synthesized sounds against natural ones. This will
be done both for voice and for instrumental sounds.
A second concern will be that of using the Arbitrary Band Wavelets, already introduced in this
research, in order to allow for freedom in the allocation of noise bands around a comb structure
in the frequency domain. By use of a properly warped harmonic structure it is possibile to fit the
particular harmonic spacing of the sound to synthesise. In some instruments, in fact, proper
spacing of the partials results in a very peculiar timbre result, thus improving the quality of the
resynthesis. Naturally the quality of the resynthesis will result in a further degree of freedom
when a sound is to be created from scratch.
Presentazioni a congressi di comunicazioni scientifiche internazionali
G. Evangelista, "Real-Time Time-Varying Frequency Warping via Short-Time Laguerre Transform," Proc. of DAFx
2000, Verona, Italy, pp. 7-12, Dec. 2000.
197
- -
P. Polotti, G. Evangelista, "Harmonic-Band Wavelet Coefficient Modeling for Pseudo-Periodic Sound Processing",
Proc. of DAFx 2000, Verona, Italy, pp. 103-108, Dec. 2000.
G. Evangelista, S.Cavaliere,"Signal Transforms for the Detection and Identification of Signals", Proc. of the
European Signal Processing Conference, EUSIPCO 2000, Tampere, Finland Sept. 2000.
G. Evangelista, S. Cavaliere, "Representation and Modification of Time-Varying Sound Signals," Proc. of the 13-th
Colloquium on Musical Informatics, L'Aquila, Italy, pp. 25-28, Sept. 2000.
G. Evangelista. “The Short-Time Laguerre Transform: a New Method for Real-Time Frequency Warping of
Sounds” Proc. of the ICMC 2000 (Internat. Computer Music Conference) pp. 380-383, Berlin, Germany,August
2000.
Cavaliere S., G.Evangelista, G.Sica. "Teaching Music and Acoustics : interaction by use of sensors in a Virtual
Music Zone" Proceedings of the XIII CIM 2000 L'Aquila, settembre 2000.
Presentazioni a congressi di comunicazioni scientifiche nazionali:
S.Cavaliere, G.Evangelista, G.Sica." Didattica della musica: un sistema basato su controlli gestuali," Proc. of the
XXVIII Convegno Nazionale dell'AIA (Associazione Italiana di Acustica) , Trani, Italy, June 2000.
198
- -
ELABORAZIONE NUMERICA DEI SEGNALI ACUSTICI.
APPLICAZIONE IN CAMPO PROTESICO
I. Ortosecco - C. Saulino*, E. Marciano*
Attività 2000
E’ stato continuato il lavoro avviato in collaborazione con il Dipartimento di Neuroscienze e di
Scienze del Comportamento della Facoltà di Medicina.
Presso il Laboratorio di Fisica Medica é stata potenziata e messa a punto la nuova
strumentazione hardware per l’acquisizione e l’elaborazione dei segnali provenienti da protesi
acustiche. Utilizzando l’apparato sperimentale elettro-acustico-numerico é stato possibile:
- riprodurre il comportamento di un orecchio elettronico ,
- minimizzare la parte hardware fin ora utilizzata per la produzione degli stimoli in input ai
dispositivi protesici e
- potenziare l’analisi della risposta agli stimoli presentati in maniera parallela sia all’interno
dell’orecchio elettronico che all’esterno in presenza di rumore ambientale.
Il carattere parallelo della metodica, raggiunto analizzando immagini nel dominio tempo frequenza - ampiezza per
i segnali acustici di test, ha consentito una stima qualitativa e
quantitativa dei parametri standard delle protesi definiti dalla ANSI S3.22, attraverso un numero
maggiore di tests e con ampliamento del range di variazione dei parametri stessi.
Sono anche state sviluppate applicazioni di elaborazione di segnali acustici nell’ambito di
ricerche di bioacustica per l’ identificazione di voci di ghiri (Glis glis L.) dell’Europa orientale,
ne é stato analizzato il contenuto spettrale e l’organizzazione temporale. Sono state prodotte
prime ipotesi funzionali.
Programma per il 2001
Si prevede di estendere gli algoritmi utilizzati per il software di valutazione della resa protesica
agli stimoli vocali ed il potenziamento del carattere parallelo degli algoritmi esaminati
precedentemente selezionati e codificati . L’ analisi includerà ulteriori parametri collegati alla
valutazione della resa di dispositivi protesici digitali .
2000 Activity
This research continues 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
- reproduce the electronic ear functions,
- minimize the hardware ,
- add on the number of tests used for the analysis ,
evaluate the hearing aid performances without and with environmental noise .
We have considered the performances of the experimental apparatus related to the parallel
organization of analysis,
to the possibility of software stimulus production and to the selection of noiseless or noisy
environment
This new methodic is based on image processing in time frequency domain of acoustical signals.
We can estimate with the developed software, the standard parameters, defined by ANSI S.3.22 ,
in quantitative and qualitative manner .
199
- -
Program for 2001
Prosecution along the above research line we planned to extend the digital processing to vocal
stimuli ,before selected and coded. The analysis will include new examination of digital
prothesic devices in noisy environment.
Ortosecco I. Saulino C. Marciano E. Auletta G. Nuova metodica per la valutazione della riproduzione del suono in
protesi acustiche. Convegno della Società Italiana di Acustica - Bari - Giugno 2000.
Russo D. Ortosecco I. e Jurczyszyn M. Segnali udibili di ghiri (Glis glis L, 1766) di popolazioni dell’ Europa
Orientale:primi dati sulla struttura ed ipotesi funzionali (Mammalia : Gliridae) - 198 convegno della Società Italiana
di Etologia - San Giuliano (PI) 4 /6 ottobre 2000.
Giordano F, Ortosecco I , Capasso G. e Giordano R - Sistema elettroacustico di monitoraggio delle vibrazioni
prodotte dalla pesca dei datteri di mare
Convegno della Società Italiana di Acustica - Bari Giugno 2000 .
200
- -
ARCHEOMETRIA
STUDIO, MEDIANTE FLUORESCENZA X, DELLA METALLURGIA
DELL’ORO E DEL BRONZO NELL’ITALIA MERIDIONALE
REALIZZAZIONE DI UN APPARATO PORTATILE PER INDAGINI
NON-DISTRUTTIVE SULLE PITTURE MURALI ROMANE
G.Paternoster, R.Rinzivillo
C.Albore-Livadie* - Centre Jean Berard, Napoli / Centre C.Julian, Aix en Provence
A.C.Felici*, M.Piacentini*, S. Sciuti*, M.Venditelli* - Dipartimento di Energetica “La Sapienza” Roma
Attività 2000
Studio, mediante Fluorescenza X, della metallurgia dell’oro e del bronzo nell’Italia Meridionale
Lo studio della metallurgia é stato condotto con due diversi apparati per Fluorescenza X; un
apparato portatile, usato per indagini in situ su oggetti d’oro, ed un sistema per analisi mediante
XRF in riflessione totale, fisso, utilizzato nell’analisi di bronzi antichi.
Lo studio degli oggetti d’oro, concluso per quanto riguarda le esposizioni, é ancora in corso per
quanto riguarda l’analisi dei moltissimi dati raccolti. Infatti nel 2000 abbiamo presentato uno
studio degli oggetti provenienti da Calatia, in relazione a quelli di Cuma, Pithecusa e
Pontecagnano. Tale lavoro ha permesso di evidenziare la diversa provenienza, sia in materia
prima sia in tecnologia, degli oggetti analizzati, indice dell’importante ruolo ricoperto nel mondo
arcaico dalle località considerate.
Per quanto riguarda lo studio dei reperti bronzei, é stata completata l’analisi elementale di 22
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 é 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, é completata con
un’indagine tipologica, basata sulla forma. Per tale lavoro ci siamo procurati i disegni di delle
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 multivariata, stiamo determinando
i fattori caratterizzanti i vari gruppi; ciò permetterà di definire meglio la cronologia e di
determinare l’appartenenza ai gruppi degli oggetti privi di contesto noto.
Realizzazione di un apparato portatile per indagini Non-Distruttive sulle pitture murali romane
Nel corso del 2000, sulla base di alcuni incoraggianti risultati ottenuti dal gruppo romano di
indagini non distruttive, abbiamo presentato all’INFN 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.
201
- -
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 2001:
Nel corso del 2001 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. 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.
2000 Activity
Study, by X Fluorescence , of the gold and bronze metallurgy in the Southern Italy
The study of the metallurgy has been conduct with two different apparatus for X-Ray
Fluorescence; a portable apparatus, used on-site over golden objects, and a laboratory system for
analysis by XRF in total reflection, used in the ancient bronze analysis.
The study of the golden objects, finished regarding the expossures, is still in progress regarding
the data analysis. In fact in the 2000 we have presented a study of the objects coming from
Calatia, in relation to those of Cuma, Pithecusa and Pontecagnano. Such work has allowed to put
in evidence the different provenience, both on the matter and technology, of the objects
analyzed, sign of the important role played in the archaic world by the considered localities.
Regarding the study of the bronze finds, it has been completed trough the elemental analysis of
22 axes and of a dagger by the Campania region, probably of the same age. The axes, as
reported in the work presented in Taormina, seem to be realised all with material of the same
origin, while the alloy is at least of four different compositions. In any case there is a group of 13
axes that we can affirm to be realised by the same “hands”, while the other, probably of the same
epoch, are made by different craftsmen. Regarding the dagger, the analisys results shown that it
is an object of same origin and working up of the axes, as we will shown in a paper in
preparation.
The analysis of the composition of the bronzes, and in particular of the axes, is completed with a
typological study, based on the their shape. For such work we get the drawings of the axes from
different epochs and provenience; they are over 100 objects, of which we are realizing a data
base. By statistics multivariate analysis, we are determining the factors characterizing various
groups; this will allow us to define better the chronology and to determine the groups of the
objects that have no known context.
Realization of a portable apparatus for Non-destructive analisys on the mural roman paintings
During the 2000, on the base of some results obtained by the roman group, working on the non
destructive analisys field, we have presented to the INFN an experimental proposal to realize a
portable apparatus for XRF, that would allow us to deepen the study of the roman epoch mural
paintings. In fact by the first studies one has the evidence of different pictorical techniques, due,
probably, to the different provenience of the artists by the mediterraneo regions. This has
induced us to deepen the research on the use of the different techniques and, possibly, to
determine their provenience. At this purpose we realized a portable apparatus for XRF,
characterised by a great versatility and compactness, integrated with an apparatus for NIR and
UV riflettometry. We are doing various test in the laboratory on frescos samples and pigments
coming from Pompei. The results will be object of a publication.
202
- -
Program for 2001
During the 2001 we should conclude the work on the metallurgy in the Southern Italy. In
particular, we will complete the statistical analysis of the data with the characterization of the
axes of all the horizons. Regarding the study of mural paintings, we will complete the setting-up
of the portable apparatus, with the integration of the part realised by the Rome collaborators, and
we will conduct analysis on site at Pompei and in the Lazio region. Therefore will be studied the
possibility to get a X microbeam by capillary lenses. We will start other collaborations on this
subject, because until now nobody has attempted to mount X microbeams on portable apparata.
Albore-Livadie C., Paternoster G., Rinzivillo R. "Nota sulle analisi mediante fluorescenza X in riflessione totale
(TXRF) di asce provenienti da alcuni nuovi ripostigli del bronzo antico della Campania" '7° Convegno 'La Scienza
della Terra e l’Archeometria', Taormina, Palermo, Catania 22-26 Febbraio 2000, Bollettino dell’Accademia Gioenia
di Scienze Naturali, vol.33 n.357, Catania (2000), 5.
G. Paternoster: “Analisi elementale degli ori di Calatia dell’VIII secolo a.C. e confronto con oggetti aurei da Cuma e
Pithecusa”, presentato a “L'artisanat métallurgique dans les sociétés anciennes en Méditerranée occidentale.
Techniques, lieux et formes de production” Ravello 4-6 maggio 2000.
203
- -
FISICA AMBIENTALE
SVILUPPO DI METODICHE FISICHE PER LA CARATTERIZZAZIONE
DI VARIABILI ENERGETICO-AMBIENTALI
C. Cosmi*, M. D’Emilio*, M. Lanfredi*, V. Lapenna*, M. Macchiato, M. Ragosta*
Attività 2000
L’attività di ricerca del gruppo verte sulla messa a punto di metodologie 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, 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 si realizzano i suddetti obiettivi sono sostanzialmente i
seguenti:
Metodiche di misura per l’acquisizione e gestione di dati a mesoscala;
Campagne di misura in situ, che consentono di avere informazioni puntuali in aree campione;
Analisi dei fenomeni ambientali alle varie scale spazio-temporali per la caratterizzazione e la
modellizzazione fisica di tali fenomeni;
Metodiche avanzate per la pianificazione energetico-ambientale a scala locale (ALEP).
In particolare, per quanto riguarda l’attivita’ svolta nel 2000, questa puo’ essere schematizzata
nei seguenti punti:
Identificazione dei profili delle sorgenti di emissioni di metalli pesanti in aree industriali
Sono state messe a punto delle procedure sperimentali ed analitiche per la caratterizzazione dei
profili delle sorgenti di emissioni di metalli pesanti. Le campagne di monitoraggio sono state
realizzate nell’area industriale di Tito Scalo (PZ) a partire dall’Aprile 1997 misurando le
concentrazioni giornaliere in atmosfera di 8 metalli pesanti. Contemporaneamente sono stati
rivelati i principali parametri meteorologici, caratterizzanti le condizioni microclimatiche locali.
L’analisi congiunta dei due insiemi di dati (con tecniche statistiche univariate e multivariate) ha
permesso di individuare tre profili di emissioni, uno tipicamente connesso ai processi di
produzione industriale, uno connesso prevalentemente agli elementi presenti nei suoli, uno
connesso ad elementi (come piombo o cadmio) presenti in emissioni di origine antropica dovute
ad un mix di sorgenti diffuse. Introducendo le variabili meteorologiche, É stato possibile
evidenziare l’effetto di abbattimento dovuto alle precipitazioni ed alla maggiore intensità del
vento; invece lo studio delle concentrazioni di inquinanti in funzione della direzione prevalente
del vento ha permesso di valutare i contributi delle diverse sorgenti presenti.
Uso dei dati da satellite per il monitoraggio della vegetazione
Interessanti risultati sono stati ottenuti dall’analisi multitemporale di dati da satellite
NOAAA/AVHRR relativi al centro e sud Italia. Sono stati realizzati algoritmi di correzione per
eliminare le distorsioni negli andamenti temporali dovute alla variazione di traiettoria del
satellite e alla sostituzione dei sensori. L’analisi dei valori di NDVI (Normalised Difference
Vegetation Index: un indice vegetazionale calcolato componendo radianze nel visibile e nel
vicino infrarosso), ottenuti da immagini raccolte dal 1985 al 1999, ha permesso di mettere in
evidenza cambiamenti interannuali nello stato della vegetazione. Dall’analisi emergono, ad
esempio, il degrado delle foreste di conifere, fenomeni di invasione di piante aliene nonche’ un
abbassamento di NDVI in corrispondenza di alcuni pozzi di petrolio in Basilicata. Piu’ in
204
- -
generale, i nostri risultati mettono in luce che i dati NOAA/AVHRR, opportunamente corretti,
possono essere utilizzati per il monitoraggio ambientale a lungo termine, al di fuori dell’ambito
meteorologico per il quale tali satelliti furono progettati.
Analisi delle scale temporali in fenomeni geoelettromagnetici
Sono state analizzate serie temporali di potenziali spontanei misurati in differenti aree
sismicamente attive della regione Mediterranea (la catena dell’Appennino meridionale in Italia e
l’isola di Creta in Grecia). L’analisi da noi condotta ha permesso di evidenziare analogie
(antipersistenza) nelle caratteristiche dinamiche delle fluttuazioni elettriche su scale temporali
che vanno da pochi minuti fino ad alcune ore. A scale temporali piu’ lunghe (alcuni giorni) sono
state osservate differenze dinamiche che sono spiegabili essenzialmente sulla base delle
differenti condizioni ambientali che caratterizzano le due regioni (ad esempio la piovosita’) e
non sembrano essere legate alle differenti caratteristiche sismologiche. Abbiamo inoltre condotto
uno studio esplorativo per valutare quanto siano affidabili analisi dinamiche basate su dati
sperimentali geoelettromagnetici che, come spesso accade, contengono sequenze di misure
mancanti. Gli spettri ottenuti da serie complete di misure (campionate ad 1Hz) sono stati
confrontati con spettri ottenuti da serie sintetiche costruite utilizzando soltanto parte
dell’informazione sperimentale. Si e’ osservato che quando le sequenze di dati mancanti sono
tali da coprire un periodo di qualche minuto, distorsioni possono apparire sia sulle alte che sulle
basse frequenze.
Sviluppo di metodologie integrate per la pianificazione energetico-ambientale a scala locale.
Le attività relative a tale tematica hanno riguardato lo sviluppo di metodologie avanzate per la
pianificazione energetico-ambientale a scala locale, finalizzate all’individuazione di strategie
integrate per la riduzione delle emissioni di gas serra. E’ stata realizzata (in ambiente Oracle) di
una banca dati territoriale interattiva che caratterizza con un dettaglio alla scala comunale le
attività produttive ed le fonti di emissione puntuali e diffuse. Inoltre É stato realizzato, a partire
dal generatore di modelli MARKAL, un modello a scala locale in grado di affrontare il problema
della gestione ottimale delle risorse focalizzando sul "sistema rifiuti" e sulle sue interazioni con il
sistema di produzione di beni e servizi. Successivamente, ci si É occupati della validazione della
versione Regional (R-MARKAL),. per l’analisi di problemi a scala locale di differenti
dimensioni e complessità. Nell’ambito del progetto ETSAP ìEnergy Conservation in Buildings
and Community Systems Program (ECBCS) - Annex 33 Advanced Local Energy Planning
(ALEP)î, dell’Agenzia Internazionale dell’Energia (A.I.E.), si É poi collaborato alla
realizzazione di un testo guida (in lingua inglese) finalizzato alla diffusione dei risultati del
progetto e alla promozione operativa delle metodiche di pianificazione energetica locale
avanzata a scala locale.
Programma 2001
Monitoraggio delle concentrazioni di metalli pesanti in atmosfera in funzione della
concentrazione del particolato di diverse dimensioni (PM2.5, PM10 e PTS) attraverso l’impiego
di strumentazione chimico-fisica e biomonitori.
Valutazione dei livelli di inquinamento al suolo di metalli pesanti ed idrocarburi attraverso
l’integrazione di tecniche chimico-fisiche, biologiche e geo-elettriche in alcuni siti test
selezionati fra aree remote, zone con forte pressione antropica e siti contaminati
Analisi delle proprieta’ di intermittenza in sequenze geofisiche ed ambientali
Analisi delle proprieta’ di tessitura spaziale di immagini da satellite NOAA/AVHRR del
territorio italiano.
205
- -
Interfacciamento della banca dati territoriale con un sistema informativo geografico (GIS), per la
realizzazione di una cartografia tematica di aree interessate da un notevole incremento delle
attività antropiche.
Sviluppo di modelli energetico - ambientali per l’analisi e l’ottimizzazione di sistemi a scala a
scala locale in relazione a criteri multiobiettivo (minimizzazione dei costi e dell’impatto
ambientale, massimizzazione del contributo delle fonti rinnovabili e del risparmio energetico).
2000 activity
The research activity of our group is focused on the setting up of 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 study of spatio-temporal scales of environmental phenomena, the
development of integrated monitoring techniques 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:
Analysis of environmental phenomena at different spatio-temporal scales
Methodologies for data acquiring and managing at mesoscale
In situ integrated monitoring techniques
Advanced local energy environmental planning methodologies (ALEP)
Investigations on sources profiles of heavy metals emissions in industrial areas
We have developed experimental and analytic procedures for characterising sources profiles of
heavy metals emissions. The monitoring surveys were carried out in Tito Scalo industrial area
(Basilicata region, Italy) from April 1997 to December 2000. We measured daily concentrations
of eight heavy metals and meteorological parameters (temperature, rainfalls, wind speed and
wind direction). The combined statistical analysis of pollutants concentrations and
meteorological variables allowed us to point out three emissions profiles: the first characterised
by emissions from industrial processes; the second characterised by soil-related elements; the
third characterised by emissions from a mix of diffuse anthropogenic sources. For all the
profiles, we observed an abatement effect on pollutants concentrations related to rainfall events
and winds intensity. Furthermore introducing winds direction, it was possible to distinguish the
role of different sources
Satellite data for vegetation monitoring
Interesting results were obtained from the analysis of NOAA/AVHRR satellite data concerning
middle and southern Italy. Correction algorithms were accomplished to remove distortions in the
time behaviours due to changes in the trajectory of the satellite and to the substitution of the
sensors. The analysis of NDVI values (Normalised Difference Vegetation Index: a vegetation
index obtained by composing VIS and NIR radiances), from 1995 to 1999 allowed us to put in
evidence inter-annual changes in the vegetation state. As an example, the analysis puts in
evidence decline in coniferous forests, alien plants invasion phenomena and an NDVI decrease
around oil wells in Basilicata. More in general, our results show that NOAA/AVHRR data,
suitably corrected, can be used for long term environmental monitoring, out from the
meteorological framework the satellites were designed for.
Time scale analysis of geoelectromagnetic phenomena
Observational time series of self-potential signals from stations located in different seismic
active areas of the Mediterranean region (Giuliano, Southern Apennine chain -Italy and
Heraklion, Crete island -Greece) were investigated. Our analysis allowed us to put in evidence
analogies (antipersistence) in the dynamical characteristics of the electrical fluctuations over
time scales going from a few minutes to some hours. Over longer time scales (some days),
206
- -
dynamical differences were observed which are mainly explainable on the basis of the different
environmental conditions characterising the two regions (e.g. raininess) and do not seem to be
related to the different seismological features. Moreover, an exploratory analysis of
geoelectromagnetic time series was carried out in order to investigate the capability of
experimental data with gaps of information to properly represent electromagnetic activity. We
compared power spectra obtained from complete time series (sampled at a rate of 1Hz) with
spectra from synthetic data built by using only partially the experimental information. When data
missing covers a period of some minutes, distortions can appear both over high and low
frequencies.
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. It was carried out an interactive
territorial database (utilising the Oracle software), which characterises at municipal scale the
emissions sources (either diffuse and punctual). Moreover, it was realised a local scale model,
which deals with resources management problems, focusing on waste management system and
its relationships with productive activities. Subsequently, it was validated the effectiveness of the
R-MARKAL version for local scale applications. In the framework of the ETSAP project
“Energy Conservation in Buildings and Community Systems Program (ECBCS) - Annex 33
Advanced Local Energy Planning (ALEP)”, onto the aegis of the International Agency of
Energy (I.E.A.), there was participated to the publication of a guidebook aimed to improve local
energy uses and to promote the application of such a methodology among Local Authorities and
planning groups.
Program for 2001
Monitoring surveys of atmospheric heavy metals in PM2.5, PM10 e TSP with chemical-physical
devices and biomonitors
Integration of chemical-physical, biological and geo-electrical techniques for evaluating soil
pollution levels (heavy metals and hydrocarbons) in remote, contaminated and anthopized test
sites
Intermittency analysis of geophysical and environmental time series
Spatial texture analysis of NOAA/AVHRR satellite images of the Italian territory
Interfacing the territorial database with a Geographic Information System (GIS), to carry out
thematic maps of the areas interested by a remarkable development of anthropogenic activities.
Developing local energy-environmental models to carry out a multi-criteria analysis of
anthropogenic activities system aimed to the minimisation of their environmental impact and to
the optimisation of resource use.
Pubblicazioni su riviste internazionali:
Cosmi C., Conte E., Mangiamele L, Marmo G., Salvia M., Macchiato M. The Advanced Local Energy Planning
methodology (ALEP) for the development of air quality protection and recovery plans - Case study Basilicata
Region (Southern Italy). Fresenius Environmental Bullettin, 9: 673-682 (2000)
Cuomo V., Di Bello G., Lapenna V., Piscitelli S., Telesca L., Macchiato M., Serio C. Robust statistical methods to
discriminate extreme events in geoelectrical precursory signals: Implications with earthquake prediction. Natural
Hazards, 21: 247-261 (2000)
Telesca L., Cuomo V., Lapenna V., Macchiato M. Analysis of the time-scaling behaviour in the sequence of the
aftershocks of the Bovec (Slovenia) April 12, 1998 earthquake. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 120:
315-326 (2000)
Lapenna V., Macchiato M., Piscitelli S., Teresca L. Scale-invariance properties in seismicity of Southern Apennine
Chain (Italy). Pure and Applied Geophysics, 157: 589-601 (2000)
207
- -
Cuomo V., Lanfredi M., Lapenna V., Macchiato M., Ragosta M., Telesca L. Antipersistent dynamics in short time
scale variability of self-potential signals. Annali di Geofisica, 43: 271-278 (2000)
Cuomo V., Lapenna V, Macchiato M., Telesca L On the time dynamics of geoelectrical signals recorded in a
seismic area of Southern Apennine Chain (Italy) Physics and Chemistry of the Earth Part A Solid Earth and
Geodesy Vol 25, Iss 3, pp 227-232
Cuomo V; Lapenna V; Macchiato M; Marson I; Paparo G; Patella D; Piscitelli S Geoelectrical and seismoacoustic
anomalous signals jointly recorded close to an active fault system in Southern Apennines (Italy). Physics and
Chemistry of the Earth Part A Solid Earth and Geodesy, 25: 255-261 (2000)
Cosmi C., Cuomo V., Macchiato M., Mangiamele L. Masi S., Salvia M. Waste management modeling by
MARKAL model. A case study for Basilicata Region. Environmental Modeling ( Assessment, 5: 19-27 (2000)
Capitoli di libri
C. Cosmi, V. Cuomo, M. Macchiato, L. Mangiamele, M. Salvia: “Chapter 5.1: Basilicata Regional Environmental
Plan”. In “International Energy Agency, Energy Conservation in Buildings and Community Systems Program”
Annex 33 Advanced Local Energy Planning (ALEP) “A Guidebook”, Edited by Reinhard Jank, Forschungszentrum
J¸lich, BEO (Germany), pp. 74-88, (2000)
Articoli in volumi a diffusione internazionale
C. Cosmi, V. Cuomo, M. Macchiato, I. Mancini, L. Mangiamele, S. Masi, M. Salvia, “Integrated modelling for
waste management planning. In ìDevelopment and application of computer techniques to environmental studies”,
WIT Press Southampton (UK) and Boston (USA), Eds. C.A. Brebbia, P. Zannetti and G. Ibarra - Berastegi, 8, 385 393, (2000).
C. Cosmi, G. D'Apuzzo, M. Macchiato, L. Mangiamele, M. Salvia “Environmental impact assessment of mining
activities in the productive system of the Basilicata region”. In “AIR POLLUTION VIII”, Eds. J.W.S. Longhurst,
C.A. Brebbia and H. Power, WIT Press Southampton (UK) and Boston (USA), pp. 221-231, (2000).
R. Caggiano, M. D’Emilio, M. Macchiato, M. Ragosta,. A biomonitoring study for the evaluation of Hg atmospheric
emissions in an industrial area. In "Air Pollution VIII", Eds. J. W. S. Longhurst, C. A. Brebbia, H. Power. WIT
Press CMP Southampton, UK, pagg.413-420 (2000)
M. Ragosta, R. Caggiano, M. D’Emilio, M. Macchiato. Multivariate data analysis for investigating atmospheric
pollution phenomena. In International Data Analysis Conference, pag.39, Innsbruck, 2000.
V. Cuomo, M.T. Lanfredi, M. Macchiato, J. Makris, F. Vallianatos. The problem of data missing in
geoelectromagnetic time series: an exploratory investigation of observational data. VIII workshop on GeoElectromagnetism, pag. 73, Maratea, 2000
Presentazioni a congressi di comunicazioni scientifiche nazionali
M. Ragosta, R. Caggiano, C. Cosmi, M. D’Emilio, M. Lanfredi, M. Macchiato, L. Mangiamele, M. Salvia.
Observed data of atmospheric heavy metals concentrations in the experimental test site of Tito Scalo: 1997-19999
field surveys. Atti del Congresso Nazionale di Fisica della Materia, Genova, 2000
M. Ragosta, R. Caggiano, C. Cosmi, M. D’Emilio, M. Lanfredi, M. Macchiato, L. Mangiamele, M. Salvia. The
application of a transport model in a GIS-environment for investigating the environmental impact of industrial
activities in San Nicola di Melfi area. Atti del Congresso Nazionale di Fisica della Materia, Genova, 2000
V. Cuomo, V. Lapenna, M. Macchiato, D. Patella. Search of estreme events in geoelectrical time series: an
application in a seismic active area of southern Italy. Atti del International Workshop on Seismo Elecromagnetics of
NASDA, pag. 3, Tokyo, 2000
208
- -
FISICA DEI FASCI E DEGLI ACCELERATORI
SVILUPPO DI ACCELERATORI DI PARTICELLE
D. Davino*, F. Galluccio*, M.R. Masullo*, G. Rumolo*, V.G.Vaccaro, L. Verolino*, L. De Menna*
Attivita' 2000
Il gruppo svolge la sua attivita' in collaborazione con diversi laboratori di ricerca: LNF
(Frascati) e LNL (Legnaro) in Italia, DESY (Hamburg), GSI (Darmstadt), KFA (Juelich) e
CERN (Geneva), affrontando problematiche sia teoriche, che sperimentali, nell'ambito sia di
specifici progetti di macchine acceleratrici che di ricerche di interesse piu' generale nella fisica
degli acceleratori.
Fasci ad alta intensita' e instabilita' coerenti. Nell'ambito di una collaborazione con il
GSI di Darmstadt (Germania) si e' studiato il processo di compressione dei pacchetti di particelle
nel caso di intensi fasci di protoni. Lo studio, condotto sia tramite simulazione al computer, sia
tramite un approccio analitico, era inteso a capire l'influenza della carica spaziale sulla
compressione fatta tramite RadioFrequenza in anelli prossimi all'energia di transizione. Si e'
mostrato che per energie al di sotto della transizione la tensione RF, richiesta per il processo di
compressione, non puo' essere ridotta a causa del forte effetto contrario dovuto alla carica
spaziale. Al di sopra, si e' dimostrato che l'insorgere di instabilita' legate ad armoniche superiori
di fascio non consente di sfruttare appieno il regime attrattivo di carica spaziale. La
compressione puo' essere realizzata con ridotta potenza RF se i tempi di attuazione sono piccoli
rispetto a quelli di deterioramento del fascio dovuti all'instabilita'; una tensione RF va in ogni
caso applicata in cavita'.
E' inoltre iniziata una collaborazione sulla realizzazione di un sistema di feedback per la
correzione delle instabilita' trasverse su un anello per ioni pesanti al GSI. Cuore del sistema e'
l'eliminazione delle componenti spurie del segnale onde poter studiare solo il segnale reale
relativo al passaggio e alla posizione del fascio; tale scopo e' raggiunto tramite
l'implementazione di un filtro.
Analisi teorico-sperimentale di impedenze di accoppiamento. Il comportamento teorico
del fattore di perdita di una cavita' a doppia T, ottenuto con una metodologia di Mode-Matching,
da noi sviluppata, e' stato confrontato con i risultati sperimentali, precedentemente acquisiti. Una
pubblicazione riassume il lavoro svolto.
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. E' stato completato il primo modulo del linac seguendo una
procedura di: costruzione delle singole parti, misura delle caratteristiche RF, eventuale
lavorazione di tuning per l'ottimizzazione dei parametri di lavoro ed infine processo di brasatura.
Le parti in questione sono state prima le singole cavita', poi i tank (insieme di celle) e quindi il
modulo totale comprensivo delle cavita' di accoppiamento (Bridge Coupler). Per il tuning finale
si e' utilizzata anche una misura della configurazione di campo con il metodo della perlina. Il
gruppo napoletano ha partecipato a tutte le fasi, in particolare mettendo a punto un sistema di
tuning delle cavita' tramite una misura perturbativa dei parametri di strutture accoppiate dalla
quale si risale a quelli di singola cavita'. La metodologia di misura e' stata sviluppata e poi
provata presso il laboratorio di Radiofrequenza del Dipartimento su cavita' test realizzate a tale
scopo dall'officina meccanica dell'INFN.
209
- -
Il metodo di misura e' stato affiancato da uno studio delle strutture accoppiate tramite un'analisi
dei circuiti accoppiati RLC. La simulazione ci ha consentito di capire come variazioni dei
parametri dei circuiti (L e C) siano legati a valori diversi, da quelli progettuali, delle
caratteristiche di funzionamento delle cavita'.
Si e' infine realizzato il test di potenza del modulo alimentandolo con un klystron a 3 GHz presso
il CERN di Ginevra. Il risultati ottenuti, ottimi oltre le previsioni, hanno mostrato un fattore due
in piu' nel valore del gradiente medio di campo accelerante rispetto a quello di progetto.
Programma 2001.
Fasci ad alta intensita' e instabilita' coerenti. Collaborazione con il GSI di Darmstadt,
studio e realizzazione di un filtro per un sistema di feedback trasverso. Il lavoro continuera' con
l'intento di realizzare il miglior sistema possibile tenendo conto anche dei rapidi tempi di innesco
delle instabilita'; misure su fascio con il sistema di feedback implementato.
Collaborazione con il CERN di Ginevra: studio di problemi relativi alla formazione di una
nuvola di elettroni in anelli protoni/positroni, dove i parametri di fascio sono tali da favorire una
moltiplicazione a valanga degli elettroni nel tubo da vuoto, : instabilita' di fascio, riscaldamento
del tubo, disturbi alla diagnostica di fascio.
Analisi teorico-sperimentale dell'impedenza di accoppiamento. Continuazione dell'analisi
dei limiti della misura con il filo-coassiale per la determinazione dell'impedenza di
accoppiamento; l'analisi teorica del confronto fra la misura con il filo e con un fascio reale sara'
portato avanti.
Acceleratori per terapia oncologica Si intende proseguire l'analisi delle metodologie di
misura tramite simulazione con circuito RLC onde trovare una procedura di tuning per il modulo
intero. Gli errori di fabbricazione possono portare a cambiamenti delle caratteristiche di
funzionamento del linac non accettabili. L'analisi perturbativa del circuito, tenedo conto di tali
tolleranze e quindi dei cambiamenti dei parametri di circuito, dovrebbe consentirci di
determinare le entita' delle variazioni da apportare alle cavita' onde ottenere i parametri di lavoro
ottimali. Il fine e' quello di avere a disposizione una metodologia di ottimizzazione della struttura
nel suo insieme ricorrendo in maniera iterativa alle simulazioni e alle misure.
Misure dell'efficienza di accelerazione del modulo sono previste presso i Laboratori Nazionali
del Sud dell'INFN (Catania) utilizzando un fascio di protoni di bassa corrente del ciclotrone di
Catania.
Activity 2000
The group carries out its activity in collaboration with different research laboratories: LNF
(Frascati) and LNL (Legnaro) in Italy , 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), the compression process has been studied for particle bunches in the case
of high intensity proton beams. The analysis has been tackled both from an analytical point of
view and either by means of numerical simulations in order to understand the influence of the
space-charge on the compression done using Radio Frequency voltage in rings near to the
transition energy. Below transition, it has been showed that the RF voltage required cannot be
lowered because of the opposite effect due to the space charge. Above the transition, instabilities
due to higher beam harmonics don't allow the full use of the attractive force due to space-charge.
The compression can be in any case performed with a reduced RF voltage if the compression
210
- -
times are smaller with respect to those required for the beam deterioration; in any case a voltage
has to be applied to the cavity.
Another collaboration has started on the realization of a feedback system for the correction of
transverse instabilities on an heavy-ion ring at GSI. Heart of the system is to delete the spurious
harmonic components of the signal related to the beam position by building-up a filter.
Theoretical-experimental analysis of coupling impedance. The theoretical behaviour of
the loss factor of a T-shaped cavity, obtained by using a methodology of the Mode Matching
technique (MMT), developed by our group, has been compared with experimental data,
previously taken. A publication resumes the work done.
Accelerator for oncological therapy. We continued the research and development
program, in collaboration with other Italian groups and CERN, of a compact linear accelerator
for protons for deep oncological therapy (till 20 cm). The linac working frequency is 3GHz. The
first module has been completed following a procedure of: single part construction, RF
characteristic measurements, eventual tuning adjustment for the optimization of working
parameters and finally brazing process. The procedure has been performed on the following
elements: before, the single cavities, then the tanks (more cells together) and finally the complete
module together with the Bridge cells (coupling elements). For the final tuning, also a field
configuration measure has been used by means of the bead pulling method. The Neapolitan
group worked in all the different phases, in particular building up a cavity tuning system that
uses a perturbative method for the measure of the coupled structure parameters from which the
single cavity characteristics can be extracted. The measurement methodology has been
developed and tested in the RF laboratory of our Department on cavities constructed for this aim
from the INFN workshop.
Together with the experimental method a coupled structure study by means of an analysis of
coupled RLC circuits has been carried out. By means of this simulation we understood how
changes in the circuit parameters (L&C) are linked to variations in the expected characteristics
of the working cavities.
Finally power tests have been carried out on the module by using a klystron at 3GHz at CERN.
The obtained results, well beyond our optimistic previsions, showed a factor two more in the
value of the mean gradient of the longitudinal field respect to the project one.
Program for 2001
High intensity beams and coherent instabilities. Collaboration with GSI of Darmastadt:
study and development of a filter for a transverse feedback system. The work will continue in
order to have the better solution taking into account the fast growing times of instabilities;
measurements on the real beam using the studied filter are foreseen.
Collaboration with CERN of Geneva: study of the problems related to the formation of an
electron-cloud in proton/positron rings, where the beam parameters are favorable to electroncloud build up processes in the beam pipe, : beam instabilities, warming up of the pipe,
disturbances to the beam diagnostics.
Theoretical-experimental analysis of coupling impedance. Regarding the studies on the
limits of the coaxial wire measurement method for the knowledge of accelerator device coupling
impedance, theoretical work on the comparison between wire and real bunch will be carried on.
Accelerator for oncological therapy.
The group will continue the analysis of
measurement methodologies by means of simulations with RLC circuit, in order to find out a
tuning procedure for the entire module. The manufacturing errors can lead to changing in the
linac characteristics that are unacceptable. The perturbative analysis of the circuit model, taking
into account the tolerances and the variations of the circuit parameters, should give us a way to
211
- -
find out the cavity variations to be performed in order to get the optimal working parameters.
The aim is to have at disposal an optimization methodology of the structure, as an whole, using,
in an iterative way, both simulations and measurements.
Measurements on the acceleration efficiency of the module are foreseen at INFN National
Laboratories of the South (Catania) using a low current proton beam from the Cyclotron.
[1]G.Rumolo, O.Boine-Frankenheim, I.Hofmann, G.Miano, Nuclear Instr. Methods in Phys. Research A 441 (2000)
191-195,"Theory and Simulation of Intense Laser Cooled Coasting Beams";
[2]G.Franchetti, I.Hofmann, G.Rumolo, Phys. Rev. ST Accel. Beams 3 (2000) 084201,"Effect of Space Charge on
Bunch Compression near the Transition";
[3]A. Palmieri, L. Tecchio, G. V. Lamanna, V. Va riale, A. V. Aleksandrov, P. V. Logatchov, V. G. Vaccaro, and M.
R. Masullo, Physical Review Special Topics- Accelerators and Beams 3-November 2000,"Cavity longitudinal loss
factor measurement by means of a beam test facility";
[4]P.Berra, S. Mathot, E.Rosso, B. Szeless, M. Vretenar, U. Amaldi, K. Crandall, d. Toet, M. Weiss, R. Zennaro, C.
Cicardi, D. Giove, C. De Martinis, D. Davino, M.R. Masullo, V.G. Vaccaro, Proceedings of the ' VII European
Particle Accelerator Conference - Vienna , Austria (2000), " Study, construction and test of 3GHz Proton linacBooster (LIBO) for cancer therapy ";
[5]P.Berra, E.Rosso, B. Szeless, M. Vretenar, C. Cicardi, D. Giove, C. De Martinis, D. Davino, M.R. Masullo, V.G.
Vaccaro, U. Amaldi, K. Crandall, M. Weiss, R. Zennaro," Status of the LIBO Project " TERA 2000/3 ACC 33
April 2000
Capitoli di libri, cataloghi, mostre
P.Berra, S. Mathot, E.Rosso, B. Szeless, M. Vretenar, U. Amaldi, K. Crandall, d. Toet, M. Weiss, R. Zennaro, C.
Cicardi, D. Giove, C. De Martinis, D. Davino, M.R. Masullo, V.G. Vaccaro, CERN Courier "Medical accelerator is
on course", gennaio-feb.2001
METODOLOGIE QUANTUM-LIKE E METODOLOGIE
CONVENZIONALI
S. De Nicola*, R. Fedele, V.G.Vaccaro
Attività 2000
Il gruppo continua a collaborare con i seguenti studiosi stranieri: Prof. Dan Anderson, Prof.
Mietek Lisak (Department of Electromagnetics, Chalmers University of Technology, Goeteborg,
Sweden), 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 f·r Theoretische Physik, Ruhr-Univerit‹t, Bochum, Germany) e
continua a far parte di una collaborazione nazionale riguardante l’uso e lo sviluppo di
metodologie quantistiche e stocastiche in fisica degli acceleratori.
Il gruppo ha contribuito alla realizzazione del 18th Advanced ICFA Beam Dynamics Workshop
on “Quantum Aspects of Beam Physics”, tenuto a Capri dal 15 al 20 Ottobre 2000, organizzato e
sponsorizzato, tra gli altri, dal Dipartimento di Scienze Fisiche. dell’Università Federico II di
Napoli.
Le metodologie quantum-like sono una delle tematiche ispiratrici di questo forum internazionale
sulle metodologie quantistiche nella fisica dei fasci, iniziato a Monterey (California, USA) nel
1998. La ricerca svolta nel 2000 ha riguardato le seguenti tematiche.
1. Smorzamento di Landau di luce parzialmente incoerente in mezzi non lineari.
212
- -
Le ricerche sul damping di Landau per la propagazione delle onde elettromagnetiche nei mezzi
non lineari iniziate lo scorso anno, hanno prodotto reazioni molto positive da parte delle
comunità scientifiche che lavorano nell’ambito dei fenomeni collettivi e non lineari nella fisica
degli acceleratori, delle fibre ottiche e della fisica dei plasmi. Sulla base degli stimoli ricevuti,
nell’anno 2000 lo studio è stato indirizzato specificamente alla determinazione di una
appropriata equazione cinetica per i fotoni per formulare una teoria statistica della propagazione
della luce nei mezzi non lineari. Questo approccio permette di descrivere la dinamica ondulatoria
di onde elettromagnetiche parzialmente incorenti in un qualunque mezzo non lineare. In accordo
alle nostre precedenti originali predizioni del quantum-like Landau damping, con un diretto
approccio “alla Wigner”, è stato mostrato che: 1) fluttuazioni con fase random conducono al
fenomeno del Landau damping il quale può essere stabilizzante per l’instabilità modulazionale;
nel limite dell’approssimazione dell’ottica geometrica, campi d’onda incoerenti, stazionari e
localizzati esistono per una larga classe di mezzi nonlineari.
2. Effetti non lineari nel fluido di Madelung.
È stata svolta una ricerca che ha contribuito ad approfondire la connessione tra la famiglia di
soluzioni solitoniche dell’equazione nonlineare di Schroedinger (NLS) e quella dell’equazione di
Kortegwe-de Vries (KdV). Lo studio è stato realizzato nel contesto della descrizione del fluido di
Madelung, descrizione a cui si può ridurre quella di un qualunque fenomeno fisico governato
dall’equazione NLS. Assumendo opportune ipotesi per la velocità di corrente (current velocity),
è stato mostrato che l’equazione NLS per gli stati a profilo stazionario si trasforma in equazioni
del tipo KdV. La principale proprietà mostrata è quella secondo la quale il modulo al quadrato
delle soluzioni dell’equazione NLS corrisponde a una soluzione di un’opportuna equazione
KdV, con un preciso legame tra i coefficienti dell’una e dell’altra equazione. In particolare, in
corrispondenza di velocità di corrente costanti o a profilo stazionario, possono essere determinate
due famiglie di solitoni per l’una e per l’altra equazione, rispettivamente. Per quanto riguarda
l’equazione NLS, la prima famiglia contiene inviluppi solitonici la cui ampiezza è indipendente
dalla velocità dell’inviluppo che coincide con il valore costante della velocità di corrente; queste
soluzioni giocano il ruolo di stati stazionari non lineari dell’equazione NLS di tipo cubico. I
corrispondenti moduli al quadrato, che si rivelano essere soluzioni di equazioni di KdV, possono
essere sia solitoni dark che bright. La seconda famiglia riguarda inviluppi solitonici i cui moduli
al quadrato corrispondono soltanto a solitoni dark dell’equazione KdV; la loro velocità e la loro
ampiezza sono collegate, ma esistono soltanto per un limitato range di velocità.
3. Teoria del propagatore in ottica elettronica.
Nell’ambito del thermal wave model è stata costruita la teoria del propagatore per l’ottica
elettronica in analogia alla meccanica quantistica. In particolare, con questa descrizione, sono
state studiate le proprietà collegate agli integrali del moto di un fascio di particelle cariche.
Questo framework ha permesso di applicare il concetto di propagatore a problemi di trasporto di
fasci di particelle cariche nello spazio delle fasi con l’impiego della quasi-distribuzione di
Wigner e di pervenire a una corrispondente descrizione tomografica con l’uso della funzione di
distribuzione marginale.
Attività per il 2001
A. Metodologie Quantumlike
a. Smorzamento di Landau in mezzi non lineari. Le ricerche sugli aspetti quantumlike dello
smorzamento di Landau saranno applicati alle situazioni specifiche degli inviluppi d’onda di
onde di Langmuir accoppiati alla dinamica di bassa frequenza delle onde elettroacustiche in
plasmi relativistici. Si prevede, tra l’altro, di concentrare il lavoro di ricerca sul ruolo giocato
dalle quasi-particelle nella suddetta dinamica collettiva e nonlineare. Questo studio sarà svolto in
213
- -
collaborazione con il gruppo di fisca dei plasmi della Ruhr-Universit‹t di Bochum (Germania)
diretto dal Prof. P.K. Shukla.
b. Descrizione quantumlike delle linee di trasmissione. Si cercherà di sviluppare una descrizione
di tipo quantumlike delle linee di trasmissione che sia appropriata per descrivere alcuni fenomeni
propagativi in fisica degli acceleratori specificando l’indice di rifrazione equilavente del mezzo
attraverso l’impedenza (trasversa e/o longitudinale) di accoppiamento. Per fasci di particelle
molto intensi ciò implica la dipendenza del suddetto indice di rifrazione dalla corrente del fascio.
Questo studio sarà svolto in collaborazione con i Proff. M.A. Man’ko e V.I. Man’ko del Lebedev
Physical Institute di Mosca (Russia).
B. Metodologie Convenzionali
a. Formazione e dinamica collettiva dell’electron cloud in LHC. Si cercherà di descrivere il
meccanismo di formazione e la dinamica collettiva innescata dalla nube elettronica (electron
cloud) che si origina durante la propagazione dei bunches di protoni nel Large Hadron Collider
(LHC) in fase di realizzazione al CERN. Lo studio è finalizzato, con un approccio tipico per
descrivere plasmi non neutri, alla comprensione dei meccanismi di instabilità a più correnti
innescate dall’interazione dell’electron cloud con il bunch di protoni. Questo studio si inquadra
nella recente collaborazione avviata con il gruppo di fisica degli acceleratori della SL Division
del CERN.
b. Dinamica collettiva nell’ambito della Hole Equilibria Theory. Continua la collaborazione con
il Prof. H. Schamel (Physicalisches Institut, Universit‹t Bayreuth, Germania) sulle applicazioni
della HET (Hole Equilibria Theory), basata essenzialmente sul sistema di equazioni di VlasovPoisson che descrive l’interazione di un fascio di particelle in un acceleratore col mezzo
circostante, contenente degli extra-termini rispetto all’usuale descrizione (non autoconsistente).
Sembra che questo approccio rappresenti un miglioramento, rispetto al quello convenzionale,
perché permette di descrivere la suddetta dinamica in modo completamente autoconsistente e,
grazie alla presenza di termini aggiuntivi nell’impedenza di accoppiamento, di predire nuovi
effetti collettivi e non lineari.
2000 activity
The group still works in collaboration with the following foreign scientists: Prof. Dan Anderson,
Prof. Mietek Lisak (Department of Electromagnetics, Chalmers University of Technology,
Goeteborg, Sweden), 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 fuer Theoretische Physik, Ruhr-Univerit‹t, Bochum,
Germany). At present, it is involved in a national collaboration on quantum and stochastic
methodologies in accelerators.
The group has contributed to the organization of the 18th Advanced ICFA Beam Dynamics
Workshop on “Quantum Aspects of Beam Physics held in Capri (Italy) in the period 15-20
October 2000, organized and sponsored, among the others, by Dipartimento di Scienze Fisiche
of Università Federico II di Napoli. The topics related to quantum-like models costitute the main
body of scientific purposes of this interdisciplinary international forum on quantum
methodologies in beam physics which started in 1998 in Monterey (California, USA).
The research activity for 2000 concerns the following topics.
1. Landau damping of of partiallly incoherent light in nonlinear media.
A novel statistical approach based on the Wigner transform has been carried out for the
description of partially incoherent optical wave dynamics in nonlinear media. An evolution
equation for the Wigner transform has been derived from a nonlinear Schrödinger equation with
arbitrary nonlinearities. It is shown that random phase fluctuations of an incoherent plane wave
214
- -
lead to a Landau-like damping effect, which can stabilize the modulational instability. In the
limit of the geometrical optics approximation, incoherent, localized, and stationary wave-fields
are shown to exist for a wide class of nonlinear media.
2. Nonlinear effects in Madelung’s fluids.
An investigation to deep the connection between the family of nonlinear Schrödinger equations
and the one of Korteweg-de Vries equations has been carried out within the context of the
Madelung's fluid picture. In particular, under suitable hypothesis for the current velocity, it is
proven that the cubic nonlinear Schrödinger equation, whose solution is a complex wave
function, is transformed into the standard Korteweg-de Vries equation, whose solution is the
squared modulus of this wave function. In correspondence with constant current velocities and
stationary profiles of current velocity, two families of envelope solitons are found, respectively.
The first family contains solitary waves whose amplitude is independent of envelope velocity
which coincides with the constant current velocity. They are bright or dark envelope solitons. In
the co-moving frame, travelling with the constant current velocity, these solutions play the role
of nonlinear stationary states of the cubic nonlinear Schrödinger equation, whilst their modulus
squared are solutions of a suitable standard Korteweg-de Vries equation. The second family
collects only dark envelope solitons which relate velocity and amplitude. In particular, they exist
for a limited range of velocity and their squared modulus are the classical solitons of a standard
Korteweg-de Vries equation.
3. Propagator theory for electron beam optics.
Within the framework of the thermal wave model, the quantum-like description of electron
optics in terms of propagator has been given. New insights have been given by extending the
analysis of the particle-beam propagator to the phase space, where the system is described by the
Wigner quasidistribution function, as well as to the tomography context, where the system is
described by the marginal distribution. The integrals of motion of a charged-particle beam and
their relation to the propagator concept have been found.
Program for 2001
A. Quantumlike Methodologies
a. Landau damping in nonlinear media. The researches on quantumlike aspects of Landau
damping will be applied to to the case of Langmuir wave envelopes coupled with the lowfrequency dynamics of electroacoustic waves in relativistic plasmas. In particular, the work will
be concentrated on the role played by the quasi-particles in the above nonlinear collective
dynamics. This work will be carried out in collaboration with the plasma physics group of RuhrUniversit‹t Bochum (Germany), directed by Prof. P.K. Shukla.
b. Quantumlike description of transmission lines. We will try to develop a quantumlike
description of trasmission lines to be appropriate for describing some propagation effects in
particle accelerator physics where the effective refractive index is given in terms of the
(transverse and/or longitudinal) coupling impedance. For very intense particle beams the above
refractive index would depend on the beam current. The work will be carried out in collaboration
with Professors. M.A. Man’ko e V.I. Man’ko (Lebedev Physical Institute, Moscow, Russia).
B. Conventional Methodologies
a. Production and collective dynamics of the electron cloud in LHC. We will try to describe the
formation mechanism of the electron cloud and the related collective dynamics involved during
the propagation of proton bunches in the Large Hadron Collider (LHC), project in progress at
CERN. We intend to approach the problem with the usual methodologies in use in the physics of
non-neutral plasmas to understand the multi-stream instability mechanism generated by the
215
- -
interaction between the electron cloud and the proton bunches. The work will be carried out in
collaboration of the particle accelerator group of CERN SL Division.
b. Collettive dynamics in the framework of the Hole Equilibria Theory. The collaboration with
the plasma and beam physics group directed by Prof. Schamel (Physicalisches Institut,
Universit‹t Bayreuth, Germany) will continue on the application of the HET (Hole Equilibria
Theory), based essentially on Vlasov-Poisson system. We will try to describe the interaction of a
charged-particle beam in an accelerating machine with the sourrondings with a Vlasov-Poisson
system which contains extra-terms with respect to the standard (non self-consistent) approach.
This approach seems to give an improvement of the collective beam dynamics. Addtionally, due
to the presence of above extra-terms in the expression of the coupling impedance, the HET
seems to be appropriated to predict new nonlinear effects, as well.
1. R. Fedele, M.A. Man’ko, and V.I. Man’ko, Wave-Optics Applications in Charged-Particle-Beam Transport, J.
Russ. Laser Research 21, 1 (2000)
2. R. Fedele, D. Anderson and M. Lisak, Landau-Type Damping in Nonlinear Wavepacket Propagation, Physica
Scripta T84, 27 (2000)
3. R. Fedele and D. Anderson, A quantum-like Landau Damping of an Electromagnetic Wavepacket, J. Opt. B:
Quantum Semicl. Opt. 2, 207 (2000)
4. H. Schamel and R. Fedele, Kinetic Theory of Solitary Waves on Coasting Beams in Synchrotrons, Phys. of
Plasmas 7, 3421 (2000)
5. R. Fedele, M.A. Man’ko, and V.I. Man’ko, Charged-Particle Beam Propagator in Wave Electron Optics: Phase
Space and Tomographic Pictures, J. Opt. Soc. Am. A 17, 2506 (2000)
1. D. Jovanovic, R. Fedele, and P.K. Shukla, Vortices in Relativistic Electron Beams, Phys. Rev. E 62, 2782
(2000)
1. S. De Nicola, R. Fedele, and V.I. Man’ko, Quantum-like Description of a Dissipative Charged-Particle Fluid in a
Quadrupole, Proc. 6th Int. Conf. on Squeezed States and Uncertainty Relations (ICSSUR’99), Napoli, 24-29 May
1999, D. Han, Y.S. Kim, and S. Solimeno (ed.s) (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland, July
2000)
2. R. Fedele, A. Lebedev, V.I. Man’ko, and L. Palumbo, Can the charged-particle beam diffusion be described in
terms of a diffraction-like process? Proc. 6th Int. Conf. on Squeezed States and Uncertainty Relations
(ICSSUR’99), Napoli, 24-29 May 1999, D. Han, Y.S. Kim, and S. Solimeno (ed.s) (NASA Goddard Space Flight
Center, Greenbelt, Maryland, July 2000)
3. D.Anderson, R.Fedele, V.Vaccaro, M.Lisak, A.Berntson and S.Johansson, Coherent instabilities within the
thermal wave model as described by a generalized nonlinear Schrödinger equation, Proc. 6th Int. Conf. on
Squeezed States and Uncertainty Relations (ICSSUR’99), Napoli, 24-29 May 1999, D. Han, Y.S. Kim, and S.
Solimeno (ed.s) (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland, July 2000)
4. R. Fedele, G. Gorini, G. Torelli, and G. Zanello, Quantum-like Description of Charged Particles Traps, Proc. 6th
Int. Conf. on Squeezed States and Uncertainty Relations (ICSSUR’99), Napoli, 24-29 May 1999, D. Han, Y.S.
Kim, and S. Solimeno (ed.s) (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland, July 2000)
5. R. Fedele, D. Anderson, and M. Lisak, Role of Landau Damping in the Quantum-Like Theory of ChargedParticle Beam Dynamics, Proc. of Seventh European Particle Accelerator Conference (EPAC2000), Vienna,
Austria, 26-30 June, 2000. Editorial board: J.-L. Laclare, W. Mitaroff, Ch. Petit-Jean-Genaz, J. Poole, and M.
Regler (Austrian Academy of Sciences Press, Vienna, 2000)
6. D. Jovanovic, R. Fedele, and P.K. Shukla, Vortex Formation in Relativistic Electron Beam Transport, Proc. of
Seventh European Particle Accelerator Conference (EPAC2000), Vienna, Austria, 26-30 June, 2000. Editorial
board: J.-L. Laclare, W. Mitaroff, Ch. Petit-Jean-Genaz, J. Poole, and M. Regler (Austrian Academy of Sciences
Press, Vienna, 2000)
7. H. Schamel and R. Fedele, Kinetic Theory of Solitary Waves on Coasting Beams in Synchrotrons and Storage
Rings, Proc. of Seventh European Particle Accelerator Conference (EPAC2000), Vienna, Austria, 26-30 June,
2000. Editorial board: J.-L. Laclare, W. Mitaroff, Ch. Petit-Jean-Genaz, J. Poole, and M. Regler (Austrian
Academy of Sciences Press, Vienna, 2000)
Convegni organizzati dalla struttura
216
- -
Alcuni membri del gruppo hanno fatto parte dell’Organizing Committee del 18th ICFA Advanced Beam Dynamics
Workshop on Quantum Aspect of Beam Physics che si è tenuto a Capri dal 15 al 20 Ottobre 2000.
Relazioni su invito da pubblicare su atti
R. Fedele, S. De Nicola, V.G. Vaccaro, D. Anderson and M. Lisak, Landau damping in Nonlinear Schrödinger
equations. Plenary talk presentato da R. Fedele al The 18th ICFA Beam Dynamics Workshop on “Quantum Aspects
of Beam Physics”. Capri, Italy, 15-20 October 2000
Visiting professors
-Dr. V. Bytchkov, Institute of High Temperatures, Russian Academy of Sciences, Moscow (Russia)
-Prof. D. Anderson, Department of Electromagnetics,Chalmers University of Technology, G¯teborg (Sweden)
-Prof. R. Jaganathan, Institute of Mathematical Sciences, Chennai-Madras (India)
-Prof. M.A. Man’ko, Prof. V.I. Man’ko, P.N. Lebedev Physical Institute, Moscow (Russia)
-Prof. P.K. Shukla, Institute fuer Theoretische Physic IV, Ruhr-Univerit‹t Bochum, Bochum (Germany)
217
- -
FISICA MEDICA
CARATTERIZZAZIONE DI RIVELATORI A GAAS SEMI-ISOLANTE
PER RADIOGRAFIA DIGITALE E MEDICINA NUCLEARE
E. Bertolucci, M. Conti, G. Mettivier*, M.C. Montesi, P. Russo
Attività 2000
In questo ultimo anno di attività, inserita nell'ambito dell'esperimento CARAM del gruppo V
INFN (Sez. Napoli, Pisa, Lecce), è stato studiato l'uso dei rivelatori più spessi (fino a 1 mm di
spessore) di GaAs semi-isolante per applicazioni di medicina nucleare, in particolare per
scintigrafia con tracciante gamma 99m Tc (Eg=140 keV) allo scopo di realizzare una sonda
scintigrafica dedicata alla chirurgia radioguidata del "linfonodo sentinella". A tale scopo è stato
costruito un rivelatore basato su una matrice 4×4 di pixel di GaAs, spessi 1 mm., con passo170
microns. E' stata realizzata anche la relativa catena elettronica di lettura a 16 canali. Sebbene le
dimensioni dei pixel più utili allo scopo siano dell’ordine di 0.5 mm, che già permetterebbero un
sensibile miglioramento della risoluzione spaziale rispetto a quella permessa dai comuni
rivelatori utilizzati in Medicina Nucleare dell'ordine di qualche millimetro, è stata usata una
matrice di pixel di 170 microns in vista della possibilità di realizzare una sonda intraoperatoria
per imaging, impiegante il rivelatore ibrido di tipo Medipix di tali dimensioni.
Inoltre è stata allestita e testata una "struttura a pila" in cui due rivelatori a GaAs sono stati
accoppiati in una configurazione "back to back". Nelle prove eseguite è stata ottenuta una
efficienza di rivelazione di circa il 22%, che rappresenta il valore teorico ottenuto in studi di
simulazione per fotoni da 140 keV.
Nella fase di caratterizzazione dei rivelatori a GaAs è stata utilizzata una tecnica di analisi del
transitorio di corrente (TCT) indotto da impulsi laser al picosecondo modulati in lunghezza
d’onda. E' stato mostrato, per la prima volta, che tale tecnica consente una completa
caratterizzazione spettroscopica del rivelatore oltre che la misurazione dei tempi di raccolta di
carica delle buche e degli elettroni ai rispettivi elettrodi.
Infine è stato realizzato un microfascio di protoni (larghezza FWHM ~ 70 µm) per
l’irraggiamento di rivelatori all’acceleratore Tandem del Dipartimento di Scienze Fisiche; con
tale fascio sono state ottenute mappe superficiali della risposta di rivelatori GaAs che hanno
mostrato l’estensione del campo elettrico ai bordi del contatto Schottky e la disuniformità (<30
%) all’interno del contatto.
Programma 2001
Questa attività di caratterizzazione di rivelatori di GaAs per Medicina Nucleare proseguirà nel
2001 per realizzare un prototipo di sonda per imaging a 4x4 canali, con acquisizione parallela dei
conteggi di tutti i pixel e presentazione dell’immagine on-line sullo schermo di un PC. A questo
scopo si procederà alla scrittura del SW di controllo (in ambiente LabWindows/CVI) dei moduli
NIM e VME di acquisizione e ai necessari test con sorgenti gamma di laboratorio.
Contemporaneamente, verrà realizzato un sistema di imaging, per ora basato su un rivelatore al
silicio di bassa efficienza (spessore 300µm) e chip di readout Medipix1 a conteggio di singolo
fotone (64x64 pixels di lato 170 µm), accoppiato a un collimatore di Tungsteno (7mm di
spessore, 64x64 fori circolari di 100µm di diametro e passo 170 µm), al fine di studiarne la
risoluzione spaziale per impiego in scintigrafia. Nella versione finale tale sistema potrà utilizzare
i rivelatori spessi di GaAS.
218
- -
2000 Activity
In the last (2000) year of the CARAM experiment (funded by INFN Committee V, Sect. Napoli,
Pisa, Lecce) we have characterized thick ( up to 1 mm) Semi-Insulating GaAs detectors for
imaging applications in Nuclear Medicine, in particular for gamma 99m Tc (Eg=140 keV )
scintigraphy. Our goal is to make an imaging probe for radioguided surgery of the "sentinel
lymph-node". We have prepared and used a 1 mm thick GaAs array of 4x4 pixels, each 170 µm
by side. The complete 16 channels electronic read-out chain has been assembled.Though an
useful pixel dimension for this application be about 0.5 mm, the smaller dimension was chosen
in order to have preliminary tests wuth this 170 µm pitch, the same as the final one we have in
mind, which uses the hybrid detection system based on Medipix1 readout chip bump-bonded to
Silicon or GaAs detetectors
We have also studied the performance os “stacked” detectors, in which two or more 1 mm thick
GaAs detectors are connected "back to back" in order to increase the detection efficiency.
Preliminary tests made with only two detectors showed an overall efficiency of 22%, which is
the theoretical value for 2mm GaAs detectors and 140 keV photons .
In characterizing S.I.- GaAs detectors characterization, we have also used an optical technique
making use of tunable infra-red picosecond light pulses for detector irradiation and analysis of
the induced transient current (TCT). We have shown, for the first time, that this TCT is able to
provide complete spectroscopic characterization of the detector, in addition to informations on
the charge collection times of holes and electrons at the proper electrodes.
Finally, a protons micro-beam (~ 70 µm FWHM width) has been realized at the Tandem
accelerator of our Department. This beam, exploring the detector surface while operated in
spectroscopic and particle counting mode, produced surface maps of the GaAs detectors
response at the Schottky contact and at its borders, showing charge collection efficiency nonuniformity on the contact <30 %.
2001 Program
This activity will continue in 2001 with the goal of making a prototype of an imaging probe, 4x4
channels, with parallel acquisition of pixel counts and on-line image display on a PC. This will
require writing a suitable SW (LaWindows/CVI development environment) for controlling NIM
and VME acquisition modules and then performing lab tests with radioactive sources.
We will also explore the possibility of using a hybrid pixel detector (now based on a small
efficiency 300 µm thick Silicon crystal, but in the future thick GaAs detectors will be available)
making use of the Medipix1 single photon counting readout chip (64x64 pixel, 170 µm square
pixel side) and a Tungsten collimator (7 mm thick, 64x64 array of circular holes 100 µm in
diameter).
Bertolucci-E; Cola-A; Conti-M; De-Luca-A; Mettivier-G; Russo-P, Quaranta-F; Vasanelli-L; “Evidence for charge
gain mechanism in SI-GaAs detectors with epitaxial junction”, , IEEE-Trans. on Nucl. Science.; 47, (3) 780-783
(2000).
P. Russo, M. Quattrocchi, E. Bertolucci, “Response of Semi-insulating GaAs detectors to near-infrared picosecond
light pulses”, presesntato al 2nd Int. Workshop on Radiation Imaging Detectors, Freiburg (D), 2-7 Luglio, 2000,
accettato per pubblicazione su NIM A.
Russo P., Mettivier G., “Characterization of 600-mm-thick Semi-insulating GaAs detectors for medical imaging”,
presesntato al 2nd Int. Workshop on Radiation Imaging Detectors, Freiburg (D), 2-7 Luglio, 2000, accettato per
pubblicazione su NIM A.
219
- -
P. Russo, L. Campajola, C. Carpentieri, E. Bertolucci, “Response of Semi-insulating GaAs detectors to low energy
protons”, presesntato al 2nd Int. Workshop on Radiation Imaging Detectors, Freiburg (D), 2-7 Luglio, 2000,
accettato per pubblicazione su NIM A.
Giovanni Mettivier, “Characterization of Semi-Insulating GaAs detectors”, poster presentato all’INFMeeting,
National Conference on the physics of Matter, Genova, Italia, 12-16 Giugno, 2000
Collaborazione CARAM, “Caratteristiche elettriche e spettroscopiche di rivelatori di GaAs”, presentato al
LXXXVI Congresso Nazionale Società Italiana di Fisica, Palermo, Italia, 6-11 Ottobre, 2000
RIVELATORI IBRIDI A SEMICONDUTTORE E ELETTRONICA DI
LETTURA VLSI PER IMAGING BIOMEDICO (MAMMOGRAFIA E
AUTORADIOGRAFIA DIGITALE)
E. Bertolucci, M. Conti, M. Maiorino*, G. Mettivier*, M.C. Montesi, P. Russo
Attività 2000
Il gruppo di Fisica Medica del Dipartimento di Scienze Fisiche partecipa già da tre anni ad una
collaborazione internazionale (CERN, INFN e diverse Università europee) che sviluppa
rivelatori a stato solido (Si, GaAs, CdZnTe) con elettronica VLSI di lettura a conteggio di
singolo fotone per applicazioni di Imaging biomedico. I rivelatori, fino ad ora realizzati, hanno
una struttura a matrice (64×64 pixel di lato 170 mm) che con la tecnica del bump-bonding
vengono connessi ad un chip microelettronico che presenta la stessa segmentazione spaziale
(chip Medipix-1, sviluppato con tecnologia SACMOS). Ogni cella elettronica è costituita da un
amplificatore, discriminatore, contatore a 15 bit e presenta una soglia minima equivalente a circa
6-8 keV.
Nel nostro laboratorio tale sistema è stato utilizzato per studi autoradiografici con traccianti betaemittenti di interesse medico-biologico (32 P, 14 C, 35 S). 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. In particolare, sono stati eseguiti studi di dinamiche di
denaturazione di DNA, in collaborazione con il CEntro di INgneria GEnetica dell’Università di
Napoli Federico II e studi dinamici di sintesi proteica stimolata da agenti ormonali in
collaborazione con il Dipartimento di Zoologia della stessa università. In entrambi i casi,
l'affidabilità del sistema è stata ampiamente sperimentata e soprattutto è stata messa in evidenza
la sua capacità di eseguire studi autoradiografici dinamici in tempo reale, caratteristica che pone
il sistema BETAview come sistema fortemente competitivo nel settore dell'autoradiografia per la
ricerca di base in campo biologico e biomolecolare. Il sistema autoradiografico BETAview è
ora pronto per la sua industrializzazione, operazione che si sta portando avanti nell’ambito del
progetto di trasferimento tzecnologico denominato “Imaging Mammografico Integrato”, che
vede coinvolto, sotto la responsabilità scientifica dell’INFN, un consorzio di industrie italiane
(LABEN, ALENIA AMS, CAEN, Gilardoni, PolyHyTech).
Durante l'anno 2000, il gruppo di Fisica Medica ha continuato lo sviluppo, per conto di tutta la
collaborazione, dell'interfaccia grafica per la gestione del sistema Medipix connesso con un
nuovo sistema di read-out (MUROS1, interfaccia elettronica realizzata dall’ Istituto di Fisica
delle Alte Energie di Amsterdam (NIHKEF). In particolare sono state implementate funzioni di
acquisizione che hanno permesso di eseguire, con successo, test del sistema
220
- -
rivelatore+Medipix+MUROS in presenza di fasci di radiazione di sincrotrone (6-30 keV) ad
elevato flusso e “rate” di acquisizione.
Inoltre, il nostro gruppo ha partecipato alla progettazione e produzione di Medipix2, versione
migliorata rispetto al primo chip Medipix in termini di risoluzione spaziale (dimensione cella: 55
µm, matrice: 256×256) e di caratteristiche di discriminazione del segnale. Il gruppo di Napoli,
incaricato dello sviluppo del software per la lettura e caratterizzazione del chip Medipix2, ha
iniziato la scrittura, in ambiente LabWindows/CVI, della versione Medisoft 4.0 contenente le
funzioni di test, calibrazione e acquisizione del nuovo sistema chip+rivelatore.
Programma 2001
L'attività del gruppo di Fisica Medica di Napoli si articolerà sia all'interno della Collaborazione
Medipix2, che prevede la produzione del chip Medipix2 con relativi rivelatori a semiconduttore,
sia nello svolgimento del progetto MAMA (Gruppo V, INFN). Tale progetto, che coinvolge
gruppi di tre sezioni INFN e di cui il gruppo di Napoli sarà coordinatore, si propone lo sviluppo
di prototipi di rivelatori ibridi (Si, GaAs, CdZnTe), sempre microsaldati all’elettronica di lettura
con la tecnica del bump-bonding e di alta granularità, con contatori a doppia soglia per singolo
pixel, per tre applicazioni di imaging digitale biomedico: autoradiografia, mammografia singlee dual-energy, angiografia.
In particolare, l’attività sarà concentrata nel portare a termine le due versioni previste (Medisoft
4.é e 4.1) del SW di controllo e visualizzazione dei sistemi di Imaging che impiegano il chip
Medipix2 e nella realizzazione e caratterizzazione di sistemi di imaging basati su rivelatori Si
(300 o 600 µm) e GaAs (200 µm) con pixel di 55 mm. Verrà inoltre indagata la possibilità di
microsaldare al chip Medipix2 rivelatori di CdZnTe spessi 1mm, la cui elevata efficienza di
rivelazione permetterebbe di realizzare una buona sonda scintigrafica per tracciante 99m Tc
(Eg=140 keV).
2000 Activity
Since 1999 our Medical Physics Group at this Departimento di Scienze Fisicheof Physical
Sciences is a member of the European collaboration Medipix (CERN, INFN and other European
Universities) which aimes to develope hybrid radiation pixel detectors (Si and GaAs or CdZnTe
crystals) and associated VLSI readout electronics for single photon counting, suitable for
biomedical imaging applications. Up to now, the detectors used are matrix arrays of pixels
(64×64, 170 µm side) bump-bonded to a microelectronic chip with the same spatial segmentation
(Medipx chip, SACMOS 1 µm technology). Each electronic cell includes a charge sensitive
preamplifier, discriminator and 15 bit counter with a minimum detection threshold of 6-8 keV.
In our laboratory, such a detection system has been used for autoradiographic studies involving
beta emitting sources for biomedical applications (32 P, 14 C, 35 S). The autoradiographic system we
assembled, named BETAview, has been employed on the field for biomedical experiments. In
particular, we have carried out dynamic studies of DNA denaturation and RNA enzymatic
reactions in collaboration with the CEntro di INgneria GEnetica - Università di Napoli Federico
II, and dynamic studies of protein synthesis stimulated by ormonal agents in collaboration with
the Dipartimento di Zoologia - Università di Napoli Federico II.
In both cases, we have shown the reliability of this digital imaging system and its capability of
dynamic real time studies: this feature makes the BETAview
system a very competitive
technology for biological and biomolecular autoradiographic investigations. This system is now
ready for going to the industrial production, as planned in the framework of a technological
transfer program “Imaging Mammografico Integrato” now pursued by a consortium of Italian
221
- -
industries (LABEN, ALENIA AMS, CAEN, Gilardoni, PolyHyTech), under the scientific
responsibility of INFN.
During 2000, our group continued the development of the graphic interface for the control and
display of the Medipix imaging system, using a new HW read-out (MUROS1, prepared by
NIKHEF in Amsterdam). Some specific acquisitions modalities we have implemented made
possible the successful test of a system Silicon detector+Medipix+MUROS with Synchrotron
Radiation beams (6-30 keV), with high flux and acquisition rates.
Moreover, we participated to the design specifications and the production of the Medipix2 chip,
an improved version of Medipix1 in terms of spatial resolution (256×256 square pixels, 55 µm
cell side) and signal discrimination. Our group is in charge of producing all the read-out SW for
this new chip: we started the first versio of such SW, Medisoft 4.0, in LabWindows/CVI
context, which implements the functions for single chip test, calibration and image acquisition
functions for the Medipix2 detctor+chip assemblies.
Program for 2001
Our activity will be centered on the Medipix2 Collaboration program and on the application
program of the INFN, Committee V funded MAMA experiment, 2001-2002. This project
comprises three INFN research groups under the coordination of the Napoli group and aimes to
build prototype digital imaging systems based on hybrid semiconductor (Si and GaAs) high
granularity detectors, coupled via bump-bonding to the VLSI read-out electronic chip, featuring
double detection threshold for each pixel, for the following biomedical imaging applications:
autoradiography, single and dual- energy mammography, angiography. In particular, we will
complete both versions (Medisoft 4.0 and 4.1) of the read-out SW for the Medipix2 hybrid pixel
detection systems, which we intend to assemble with 300µm thick Silicon or 200µm thick GaAs
256x256 pixel arrays, 55 µm pixel side. We will also investigate the possibility of bump-bonding
1-mm thick CdZnTe detectors to the Medipix2 chip, which would result in a very efficient
candidate for a 99m Tc (Eg=140 keV) detecting digital scintigraphic probe.
S.R. Amendolia, E. Bertolucci, M.G. Bisogni, U. Bottigli, A. Ceccopieri, M.A. Ciocci, M. Conti, P. Delogu, M.E.
Fantacci, P. Maestro, V. Marzulli, E. Pernigotti, N. Romeo, V. Rosso, P. Russo, A. Stefanini, S. Stumbo,
“MEDIPIX: a VLSI chip for a GaAs pixel detector for digital radiology”. NIM A 440, 258 (2000).
L. Abate, E. Bertolucci, M. Conti, G. Mettivier, M.C. Montesi, P. Russo, “GaAs pixel arrays for beta imaging in
medicine and biology”. Accettato per la pubblicazione su NIMA
E. Bertolucci, M. Conti, A. Di Cosmo, C. Di Cristo, G. Mettivier, M.C. Montesi, P. Russo, “Quantitative dynamic
imaging of biological processes with solid state radiation detectors”, IEEE Trans. Nucl. Scien., Vol 47, N 6,
December 2000.
M.C. Montesi, “BETAview autoradiography system: laboratory tests and biological experiments” presentato al
congresso “Frontiers Detectors for Frontier Physics” – 8th Pisa Meeting on advanced Detectors, 21-27 Maggio, 2000
– La Biodola, Isola d’Elba, Italy, sarà pubblicato su NIMA.
M.C. Montesi, “Autoradiography: detectors and applications”, presentazione al 2nd Int. Workshop on Radiation
Imaging Detectors, Freiburg (D), 2-7 Luglio, 2000.
G. Bardelloni, E. Bertolucci, A.L.J. Boerkamp, D. Calvet, M. Conti, M. Maiorino, P. Russo, J.L. Visschers, “A New
Read-out System for an Imaging Pixel Detector”, presentato al Nuclear Science Symposium, Lione, 15-20 Ottobre
2000
M. Conti, E. Bertolucci, P. Russo, “Tracing radioactive molecular markers with pixel detectors”, presentato a Pixel
2000, Genova, Italia, 5 Giugno, 2000
222
- -
Giovanni Mettivier, “UpGrade della superfice sensibile a 2 cm×2 cm per il sistema BETAview di autoradiografia
digitale“,presentato al LXXXVI Congresso Nazionale Società Italiana di Fisica, Palermo, Italia, 6-11 Ottobre, 2000
Partecipazione a mostre
Presentazione del sistema autoradiografico BETAview a LEP Fest Exhibition, 9-11 Ottobre 2000, CERN, Ginevra,
Svizzera
SVILUPPO DI SISTEMI PER LA CARATTERIZZAZIONE DI FASCI γ
PER RADIOTERAPIA
E. Bertolucci, D. Campana, M. Maiorino*, G. Mettivier*, M.C. Montesi, G. Osteria, P. Russo
Programma 2001
La determinazione della qualità del fascio di radiazione fotonica in applicazioni medicali
terapeutiche quali la radioterapia dei tumori solidi con fasci di fotoni al Megavoltage generati da
piccoli acceleratori, è di notevole importanza al fine della determinazione della qualità globale
dell'imaging, della dose di radiazione al paziente, del controllo di qualità sull'apparato, della
stesura dei piani di trattamento radioterapici che prevedono multifasci e modulatori di energia
del fascio primario. In questo scenario, la disponibilità di sistemi affidabili e ben caratterizzati
per la determinazione delle caratteristiche spaziali (uniformità), di intensità (flussimetri), e
spettroscopiche (energia) di tali fasci è molto limitata.
In questo esperimento finanziato dal grupp V INFN, l'attività del gruppo si concretizzerà nella
realizzazione e nel test di alcuni sistemi di rivelazione basati su scintillatori o su rivelatori a
semiconduttore accoppiati a strato convertitore. Tali sistemi, da realizzare in forma prototipale,
permetteranno di effettuare misure di intensità su grande area (circa 10 cm×10 cm nel caso del
dispositivo a scintillatori o di quello a pannello fotovoltaico), oppure su piccola area (4 cm×4 cm
nel caso di sistemi a semiconduttore), con risposta on-line, per fasci provenienti dagli
acceleratori attualmente utilizzati nella clinica.
L’analisi computerizzata dei segnali elettronici raccolti da un array lineare di 16 fibre scintillanti
(diametro 1.5-2 mm) + convertitore, accoppiate a un fototubo a 16 anodi, permetterà di misurare
il profilo del fascio di radiazione g nonché il relativo flusso, su aree sensibili di pochi cm2 ,
limitazione resa necessaria dall'elevata densità di flusso fotonico attesa da acceleratori medicali
(>> 106 mm-2 s-1 ). Per quanto riguarda l'uso di rivelatori a semiconduttore per la rivelazione
gamma ad energia di pochi MeV, misure preliminari effettuate con il sistema Medipix con
rivelatore al silicio, spesso 0.3 mm, hanno già mostrato la possibilità di rivelazione della
radiazione da sorgente Co-60 (1.2 MeV); ulteriori prove prevedono lo studio della la risposta di
tale sistema abbinato ad uno strato convertitore. Infine è stata già valutata la risposta di un
pannello fotovoltaico alla radiazione g (6-20 MV) per la realizzazione di un monitor di intensità.
Operativamente, verra' affrontato sia lo studio del prototipo di rivelatore e l’ottimizzazione della
sua risposta attraverso programmi di simulazione basati su tecniche Monte Carlo sia la
progettazione dell'elettronica di front-end. Inoltre verranno eseguiti test di calibrazione su fibre
scintillanti connesse ai relativi fotorivelatori, e dopo aver definito il progetto esecutivo del
rivelatore, sarà avviata la fase di assemblaggio meccanico dello stesso.
Program for 2001
223
- -
A very important task in radiotherapy is the monitoring of the beam quality produced by small
accelerators for determining the imaging performance, the dose absorbed by the patient, the
apparatus quality control and the formulation of the radiotherapy planning.
In this scenario, there is a very limited number of systems able to perform good and direct
measurements of spatial uniformity, flux and spectroscopy.
Our group's activity, in the framework of FLUXEN project, will be dedicated to the realization
and test of some detection systems based on scintillators or on semiconductor detectors coupled
to a converter thickness.
These systems will be able to measure on-line the beam intensity on a large area (about 10×10
cm2 for scintillators or for photovoltaic panels) or on a small area (about 4×4 cm2 for
semiconductor detectors) for the accelerators presently used in clinical applications.
The beam profile and flux of g radiation will be measured with a linear array of 16 scintillating
fibers (diameters 1.5-2 mm) + converter connected to a 16 anodes phototubes over a few cm2
area; this limitation is due to the high flux density in medical accelerators (>> 106 mm-2 s-1 ).
We have also made preliminary tests with Si (300 mm tick) detector and Medipix chip for the
detection of g radiation of a 60 Co source (1.2 MeV); we have obtained interesting performances,
but further tests with detector+converter have been planned to improve the detection efficiency.
In order to realize an intensity monitor, also the response to the g radiation (6-20 MV) of a
photovoltaic panel has been evaluated.
In 2001, we will simulate the proposed detector performances with Monte Carlo techniques and
the obtained indications will be used in the phase of final project and constructions of the
detector. Finally the project of the front-end electronics and the calibration tests on scintillating
fibers will be carried out.
224
- -
FISICA MEDICA
A.Colasanti*,A.M. Kisslinger*,R. Liuzzi*, M. Quarto*, P. Riccio*, G. Roberti, P.Villani*
Attività 2000
Rivelazione di oggetti nascosti in mezzi fortemente scatteranti con misure di cross-correlazione
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 la cross-correlazione in seconda armonica opera una selezione in fase
temporale tra i contributi sfasati casualmente a un campo ottico che si propaga attraverso un
mezzo scatterante e puÚ essere usata per rivelare selettivamente il debole contributo coerente al
campo incidente.
Inoltre, si vede che la rivelabilità dell'oggetto transilluminato da un impulso laser multimodale
puÚ essere aumentata cross-correlando il campo trasmesso con una frazione di quello incidente
in un cristallo di borato di bario. Si È mostrato che questo effetto nasce dall'interazione delle
proprietà di coerenza temporale dei campi interagenti anche in presenza di una modesta
coerenza.
Fotoattivazione di farmaci per l'utilizzo in Terapia Fotodinamica dei Tumori (PDT)
Sono stati studiati gli effetti della fotoattivazione laser (11 J/cm2, 599 nm) dell'ipericina su due
linee cellulari di adenocarcinoma prostatico umano, una sensibile e l'atra non sensibile al
trattamento con gli androgeni. L'ipericina esercita un effetto fototossico su entrambe le linee
cellulari mentre non ha nessun effetto citocida in assenza di irraggiamento. Questi risultati
suggeriscono che la terapia fotodinamica con l'ipericina puÚ essere un approccio alternativo per
il trattamento dei tumori prostatici e l'unico efficace, esclusa la chirurgia, nel caso di tumori non
sensibili alla terapia con androgeni.
E' stata studiata la radiazione di autofluorescenza emessa da tessuti murini sani e tumorali (in
vivo sotto anestesia e post mortem) attraverso misure nel dominio spettrale e temporale allo
scopo di caratterizzare il fibrosarcoma MS-2. Si è trovato che l'intensità di autofluorescenza di
tessuto patologico È pi? bassa di quella del tessuto sano nella regione spettrale 400-500 nm. In
questa stessa regione il decadimento di fluorescenza è la somma di una componente lenta e di
una veloce. Quest'ultima È significativamente pi? bassa nei tessuti tumorali rispetto a quelli sani.
Questi risultati sono in accordo con la presenza nei tessuti tumorali della forma libera del
NADH.
Modellistica del trasporto dei fotoni nei tessuti biologici
Sebbene le simulazioni Monte Carlo rappresentino un mezzo accurato e flessibile per studiare il
trasporto dei fotoni nei tessuti biologici (fortemente scatteranti nell'IR), esse molto spesso sono
irrealizzabili per il loro tempo di calcolo estremamente elevato. Per superare questa difficoltà 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. Sono state anche valutati i tempi di esecuzione
del programma parallelo in funzione dei principali parametri di input del programma.
Programma per il 2001
L’ attività del gruppo proseguirà nei filoni di ricerca già attivi nell'anno 2000.
225
- -
Rivelazione di oggetti nascosti in mezzi fortemente scatteranti con misure di cross-correlazione
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 b-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.
Fotoattivazione di farmaci per l'utilizzo in Terapia Fotodinamica dei Tumori (PDT)
Si studieranno gli effetti della fotoattivazione laser dell'ICG su due linee cellulari di
adenocarcinoma prostatico umano, una sensibile e l'altra non sensibile al trattamento con gli
androgeni, allo scopo di paragonare gli effetti fotocitotossici di questo colorante con quelli già
trovati per l'ipericina.
Poichè il gruppo di dermatologia della Facoltà di Medicina e Chirurgia dell'Università di Napoli
"Federico II", con la cui collaborazione sarà svolta la presente ricerca, ha trovato che
l'applicazione topica di ALA, effettuata mediante bendaggio occlusivo e senza rimozione dello
strato corneo 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.
Transilluminazione laser e modellistica del trasporto dei fotoni nei tessuti biologici
Le simulazioni effettuate negli anni scorsi ci hanno permesso di stimare l'effetto prodotto sulla
figura di trasmittanza dai vari parametri ottici e geometrici, sia della disomogeneità che del
mezzo, in particolare di un parametro il cui ruolo è stato finora trascurato, l'indice di rifrazione.
Intendiamo confrontare i risultati teorici fin qui ottenuti con i risultati sperimentali che otterremo
da un apparato sperimentale di transilluminazione laser in fase di realizzazione.
Tutto questo lavoro di matching ha lo scopo di porre le basi per realizzare un programma che
tenti la risoluzione del cosiddetto "problema inverso", cioè la determinazione dei parametri ottici
e geometri incogniti di una disomogeneità partendo dai profili sperimentali di trasmittanza per
essa ottenuti per interpolazione su di una banca dati di profili calcolati con simulazioni Monte
Carlo.
2000 Activity
Detection of objects hidden in highly scattering media by means of Second Harmonics crosscorrelation
In cooperation with the group of Physics of Matter working at the University of Insubria ( resp.
Prof. Andreoni) experiments of SH cross-correlations were performed in order to detect objects
imbedded in highly scattering media. It was shown that SH cross-correlation performs a time
phase selection between randomly de-phased contributions to an optical field travelling through
a scattering medium and can be used to detect selectively the weak coherent contribution to the
incident field. In addition, it can be seen that the detectability of the object transilluminated by
multi-mode al ser pulse can be increased by cross-correlating the transmitted field with a fraction
of that one incident in a Barium - borate crystal. It was shown that this effect arise from the
interaction of the properties of spatial coherence of interacting fields, also in the presence of a
low coherence.
Photoactivation of drugs for use in Photodynamic Therapy of tumors
The effects of laser photoactivation (11 J/cm2, 599 nm) of hypericin on two cell lines of
human prostatic adenocarcinoma, one of them sensible and the other one not sensible to
226
- -
androgens treatment, were studied. Hypericin has a fototoxic effect on both cell lines, while has
no cytocidal effect in the absence of irradiation. These results suggest the photodynamic therapy
using hypericin could be an alternative approach to the treatment of prostatic tumors and, in the
same time, the only effective tool, with the exception of the surgical intervention, in the case of
prostatic tumors not responsive to androgen therapy.
Spectroscopy of biological tissues "ex vivo" and "in vivo"
Autofluorescence (AF) radiation emitted by murine healthy and tumor (in vivo under anesthesia
and post mortem) tissues was studied by means measurements in the time and frequency domain
to characterize the fibrosarcoma MS-2. It was found that AF intensity of the pathological tissue
is lower than that one of the healthy tissue in the spectral region 400-500 nm. In the same region
the fluorescence decay is the superposition of a slow and a fast component. This last component
is significantly lower in tumor tissues with respect to the healthy ones. These results are in
agreement with the presence of the free form of NADH in tumor tissues.
Models of photon transport in biological tissues
Although Monte Carlo simulations represent an accurate and flexible tool to study the photon
transport in biological tissues (strongly scattering in the IR), they are, in many cases, unfeasible
due to the very high computational time they need. To overcome this difficulty it was developed
a Monte Carlo code running on the parallel computer Cray T3E (128 DEC Alpha EV5 nodes,
600 Mflops) of the CINECA. The parallel structure of the code allows to decrease the
computation times by a factor of 100 and, hence, to make feasible simulations unfeasible with
single processor codes. Computation times of the parallel code as a function of the main input
parameters of the model were evaluated also.
Program for 2001
Detection of objects hidden in highly scattering media by means of SH cross-correlation
After the space and time characterization of the laser pulse produced by the Active-Passive
Mode-Locking Nd:YAG SYLP-02 (Quanta System, Italy), cross-correlation measurements of
the transmitted field with a fraction of that one incident in a Bariumborate crystal will be
performed. These measurements will be used, together with those performed by the group of the
Insubria University, to test the theoretical model developed by this same group to interpret the
obtained experimental results.
Photoactivation of drugs for use in Photodynamic Therapy of tumors
The effects of laser photoactivation of ICG on two cell lines of human prostatic adenocarcinoma
(one sensible and the other one not sensible to the therapy with androgens) will be studied in
order to compare the phototoxic effects of this dye with those we found for hypericin.
Spectroscopy of biological tissues "ex vivo" and "in vivo"
Since the Dermatology group of the Medicine Faculty of the Naples University found that
topical application of ALA on the skin, performed through occlusive bandage and without
previous removal of "stratum corneum" causes a strong phodynamic effect on "verrucae", we
aim at checking, through frequency domain spectroscopic investigations of treated tissues, that
this kind of ALA administration is responsible of a real production, in tissues, of PpIX, whom
the observed photodynamic effect is imputed to.
Models of photon transport in biological tissues
Simulations performed in the previous years allowed us to estimate the effect of the different
optical and geometrical parameters of both the inhomogeneity and the medium, on the
transmittance. In particular it will be considered the refractive index, a parameter, whose role
was up to now neglected. Then we aim at comparing the obtained modelistic results with the
experimental data we will obtain with a laser transillumination apparatus we are realizing.
227
- -
The final goal of this work is the realization of a code for the solution of the so called "inverse
problem", i.e. the determination of unknown optical and geometrical
parameters of an
inhomogeneity from the transmittance experimental profiles by interpolation on a greed of
profiles calculated with Monte Carlo simulations.
Colasanti A., Kisslinger A., Liuzzi R., Quarto M., Riccio P., Roberti G., Tramontano D., Villani F.: 2000, Hypericin
photosensitization of tumor and metastatic cell lines of human prostate, J. Photochem. Photobiol. B: Biol., 54, 103107.
Colasanti A., Kisslinger A., Fabbrocini G., Liuzzi R., Quarto M., Riccio P., Roberti G., Villani F.: 2000, MS-2
fibrosarcoma characterization by laser induced autofluorescence, Laser in Med. and Surg., 26, 441-448.
Colasanti A., Guida G., Kisslinger A., Liuzzi R., Quarto M., Riccio P., Roberti G., Villani F.: 2000, Multiple
processor version of a Monte Carlo code for photon transport in turbid media, Comp. Phys. Com.,132 , 84-93.
Colasanti A., Kisslinger A., Liuzzi R., Quarto M., Riccio P., Roberti G.: 2000, Simulazioni Monte Carlo del
trasporto di fotoni IR in mezzi fortemente diffondenti contenenti disomogeneità ottiche di forma sferica,
Photobiologie 2000, Colloque organisé conjointement par la Societé Française de Photobiologie et la Societé
Italienne de Photobiologie, Centre des Congrès- Aix-les-Bains, Savoie, France, 26-27 Mai 2000.
Colasanti A., Kisslinger A., Liuzzi R., Quarto M., Riccio P., Roberti G.: 2000, Indocyanine green: Photosensitizing
potency in human prostate cancer cells, Photobiologie 2000, Colloque organisé conjointement par la Societé
Française de Photobiologie et la Societé Italienne de Photobiologie, Centre des Congrès- Aix-les-Bains, Savoie,
France, 26-27 Mai 2000.
Colasanti A., Kisslinger A., Liuzzi R., Riccio P., Roberti G: 2000, Calcolo del percorso dei fotoni attraverso una
disomogeneità ottica immersa in un mezzo fortemente diffondente, Atti delle Giornate Scientifiche delle Facoltà di
Medicina e Chirurgia, Farmacia, Medicina Veterinaria e Agraria, Napoli, 17-19 Maggio 2000.
Colasanti A., Kisslinger A., Liuzzi R., Quarto M., Riccio P., Roberti G: 2000, Indocyanine green: efficacia
fotocitotossica su cellule umane tumorali di prostata, Atti delle Giornate Scientifiche delle Facoltà di Medicina e
Chirurgia, Farmacia, Medicina Veterinaria e Agraria, Napoli, 17-19 Maggio 2000.
Roberti G., Colasanti A., Fabbrocini G., Kisslinger A., Liuzzi R., Quarto M., Riccio P: Simulations of photon
transport in biological tissues with Monte Carlo techniques, Congresso Nazionale di Fisica della Materia, Genova,
Magazzini del Cotone, 12-16 Giugno 2000.
MICROELETTRONICA
SVILUPPO DI UN COLLEGAMENTO OTTICO PARALLELO AD ALTA
VELOCITA' PER IL TRASFERIMENTO DATI TRA SISTEMI DIGITALI
A. Aloisio*, F. Cevenini
Attività 2000
La disponibilita' di link ottici paralleli che integrano "on-chip" la parte digitale e quella
optoelettronica basata su matrici di VCSELs ha ispirato un progetto di sistema di trasmissione
dati su bus ottici paralleli. Le prestazioni ottenibili con questa architettura permettono di
sostenere alti data-rate con frequenze di clock sufficientemente basse (160 MHz) da consentire
l'impiego di dispositivi programmabili FPGA nel progetto della logica di controllo e gestione del
protocollo.
Accanto a tutti i ben noti vantaggi della trasmissione su fibra ottica, la struttura parallela offre
una immediata scalabilità nelle prestazioni ed una ridotta latenza di trasmissione. Questo rende il
228
- -
sistema da noi realizzato particolarmente interessante per l'impiego in apparati strumentali che
richiedono prestazioni real-time.
Nel corso del programma e' stata progettata, realizzata e collaudata una scheda VME con a bordo
un nodo TX ed uno RX di bus ottico parallelo. La logica di gestione del protocollo e' stata
realizzata con FPGA XILINX della famiglia 3100A con una frequenza di clock di 200MHz ed
una parola dati di 32 bit. La scheda si basava sulla prima versione del chip-set PAROLI prodotti
dalla INFINEON (allora SIEMENS).
Successivamente (1999) sono stati sviluppati e realizzati nodi RX e TX in formato plug-in basati
sulla versione definitiva del chip-set PAROLI. La logica di protocollo e' migrata su FPGA
XILINX della famiglia 4000XLA con una frequenza di clock di 160MHz con una dimensione
della parola dati di 48 bit. La frequenza di trasmissione delle parole dati e' di 40 MHz in
entrambi i sistemi. L'ultima versione del link sostiene quindi un data rate di 240 Mbyte/s. Il
protocollo sviluppato permette di rilevare eventuali errori di trasmissione e consente di
partizionare la parola di 48 bit in tre bus ciascuno di 16 bit con controlli e flag indipendenti.
Per poter effettuare collaudi sistematici del link ottico É stata sviluppata, come era stato
programmato, una piattaforma di collaudo con le funzionalità di un sistema BERT (Bit Error
Rate Tester) adattate ad una architettura ottica parallela, dal momento che strumenti commerciali
di questo tipo non esistono.
Il sistema É stato impostato in una forma generale che, attraverso una apposita interfaccia verso
un PC, con lo sviluppo di un adeguato pacchetto software, consentirebbe una grande varietà di
strategie diagnostiche del link ottico.
Una versione stand-alone, adatta a test rapidi di funzionalità, basata sulla generazione in
hardware di sequenze di dati e la verifica della correttezza dei dati ricevuti, con conteggio degli
errori rilevati É stata costruita e testata a lungo in laboratorio. Essa É stata poi usata per un test
del sistema sotto un intenso fascio di radiazioni ionizzanti, in vista di un possibile impiego del
link ottico per il sistema di acquisizione dati del rivelatore di muoni dell'Esperimento ATLAS
all'acceleratore LHC del CERN.
Programma 2001
E’ nostra intenzione far migrare il progetto delle FPGA di gestione dei protocolli di trasmissione
e di ricezione, con controllo di integrità dei dati del link ottico su FPGA ACTEL con
programmazione irreversibile, che presentano rispetto alle Xilinx una maggiore resistenza alle
radiazioni ionizzanti.
La struttura completamente diversa dei dispostivi richiederà una completa ristrutturazione della
logica.
2000 activity
Our R&D program concerns the development of an high speed parallel optical link.
The project started with the design of a VME board implementing a TX and RX node capable to
move 32 bit data at 40 MHz (160 MByte/s) in both directions simultaneously.
In 1999 a new version of the PAROLI chip set has been released by Infineon (formerly
Siemens). The new features make it possible to transfer 48 bit data at 40 MHz, reaching a total
throughput of 240 MByte/s.
We have moved the design in plug-in modules which can be easily assembled in the final user’s
environment. Each module contains the PAROLI unit and a XC4013-XLA Xilinx FPGA which
holds all the logic. The protocol includes data integrity checks and complete self test procedures.
Both TX and RX modules are powered at 3.3 V with a total power consumption of less than 4
W.
229
- -
The link exhibit a fixed latency (225 ns with 10 m fiber). This feature allows the link to be used
in heavy real time applications, as robotics, imaging, physics experiment.
In all these fields, our architecture presents an innovative approch to the high speed data transfer.
In 2000 a test platform with the functionality of a Bit Error Rate Tester (BERT) for parallel
optical structures, has been designed to fully characterize the error rate of our link. The system
architecture allows various test strategy of the optical link, under software control.
A stand alone version of BERT based on a hardware generation of data sequences was used to
measure the bit error rate of the link under an intense test beam at CERN, since the ATLAS
Collaboration is considering to use our parallel optical bus for muon detector data acquisition.
Program for 2001
In 2001 we plan to move the control logic, TX and RX protocol logic of the parallel optical link,
from RAM programmed Xilinx FPGA to ACTEL PROM programmed FPGA, to improve the
radiation hardness of the system.
A. Aloisio, P. Branchini, F. Cevenini:
"Real Time Diagnostic and Performance Monitoring in a DAQ Environment", IEEE Transactions on Nuclear
Science, 47, 2, 162 (2000).
A. Aloisio, F. Cevenini, D. J. Fiore:
"Bus in a New Light", IEEE Transactions on Nuclear Science, 47, 2, 309 (2000).
A.Aloisio, F.Cevenini, M. Severi: "Bus gets lighter", Proceedings of International Conference on Computing and
Communications Devices, Kharagpur, India, Dec. 2000.
230
- -
ONDE ELETTROMAGNETICHE
MONITORAGGIO AMBIENTALE DI CAMPI ELETTROMAGNETICI
F.Carbonara, V.G.Vaccaro, M.R. Masullo*
Attività 2000 e programma 2001
Questa attività é nata per rispondere alla esigenza di creare un’area professionale applicativa,
commisurata alla preparazione di base degli studenti del corso della prossima laurea triennale in
Fisica, per una attività di monitoraggio al momento fortemente richiesta dai privati e dal
pubblico. Essa é di fatto iniziata nel novembre 2000, quando é stato possibile acquisire una
prima strumentazione di campo per misurare il così detto “fondo elettromagnetico”, cioé il
valore del campo elettrico da radiazione proveniente in maniera indistinta da tutte le sorgenti
radio TV e per telefonia mobile, cioé nel range 30 MHZ - 3 GHz.
Queste misure sono lo step zero del monitoraggio, basse frequenze (50 Hz) escluse, che consiste
nella verifica del superamento o meno dei valori limite stabiliti dal D M Ambiente 381/98.
Abbiamo subito messo a disposizione la nostra nuova expertise per alcuni Comuni dell’area
napoletana, in maniera informale e gratuita, onde significare l’interesse della nostra Università
per quanto avviene sul territorio, per questioni su cui, almeno fino ad oggi, c’é stata poca
possibilità di intervento, e poca conoscenza, da parte degli organi pubblici di controllo sanitario.
E’ evidente che questa situazione deve considerarsi in fase di superamento, anche se non
dappertutto alla stessa maniera, perché, in seguito al citato Decreto, ed alla successiva L S
36/22.2.2001, i Comuni (e la Regione) hanno l’obbligo di attrezzarsi per dirimere contrasti ed
indirizzare il miglior utilizzo dei servizi pubblici trasporto di energia, trasmissioni TV e telefonia
mobile.
Resta tuttavia la necessità di una consulenza approfondita nel merito. Essenzialmente si tratta,
dopo aver assodato in un sito il superamento dei generici limiti ambientali, di individuare le
sorgenti più intense , di calcolare la così detta “riduzione a conformità” ed infine di suggerire
soluzioni di compromesso ragionevoli.
Inoltre c’é da dire che, stante la continua evoluzione delle tecnologie che fanno uso delle onde
elettromagnetiche, le questioni di monitoraggio non possono mai considerarsi risolte una volta
per sempre. Infatti sono in continua evoluzione sia le prescrizioni, sia la necessità di controllo
che la strumentazione relativa.
L’attività iniziata dal gruppo ha quindi le seguenti mire:
1) Fornire a privati ed ai Comuni minori che lo richiedano, che cioé hanno difficoltà ad
organizzare, in parte od in toto, il proprio controllo ambientale, consulenza continuativa di
monitoraggio ambientale in siti di particolare interesse, sia per quanto riguarda le radioonde, sia
per campi elettromagnetici di bassa frequenza;
2) Studiare la possibilità di automatizzare una piccola rete di monitoraggio;
3) Raccogliere e studiare criticamente la letteratura, che comincia ad essere consistente, che
riguarda gli effetti delle onde e.m. sugli esseri viventi;
4) Promuovere e portare avanti nel Dipartimento linee di ricerca per lo studio sperimentale degli
effetti suddetti.
Al momento questa attività é corroborata dall’apporto di qualche laureando e dalla
collaborazione di colleghi del Dipartimento.
Per le tematiche su descritte é stato avanzato un progetto di ricerca alla Regione Campania, ai
sensi della L R 41/94, in quanto presumiamo che esse siano di interesse dell’Ente territoriale. Si
231
- -
tratta di “progetto congiunto”, portato avanti con colleghi dell’Istituto di Igiene e Medicina
Preventiva della nostra Università, che speriamo abbia positiva accoglienza.
2000 activity and program for 2001
This activity was conceived to fulfill to the necessity of giving a professional know how in this
field to the students in “Physics” course and to provide to a consultant expertise to individuals or
public committents.
The activity began in the end of year 2000, when field instrumentation became available, in the
frequency range 30 MHz - 3 GHz (TV transmission and mobile telephony).
It was immediately useful to measure e.m. emissions in some townships around Naples, in view
of continuative collaboration in monitoring. In fact, this field is always open and in quick
technological evolution, so as to require periodical checks and optimisation.
The group activity just begun has the following goals:
1) To accumulate basic know how in monitoring, that could be useful for private or public users;
2) to study the possibility to develop small authomatic nets;
3) to study specialized literature, as far as biological impact of radio waves on living matter is
concerned;
4) to promote and participate to experimental research in e.m. waves bioeffects.
At the moment we enjoy the help of students interested in a final work of thesis in the field.
To integrate our Departments’ financial effort and to have further facilities, we proposed to
Campania region to promote our studies as field of its interests, according to the regional law
#41/94. This project is conducted together with the Institute of Hygiene and preventive
Medicine of our Medical Faculty.
232
- -
STRUTTURA DELLA MATERIA
(Responsabile della Sezione: Prof. E. Santamato)
233
- -
234
- -
FISICA ATOMICA E MOLECOLARE,
OTTICA E SPETTROSCOPIA
DISPOSITIVI A CRISTALLI LIQUIDI PER OTTICA INTEGRATA
G.Abbate, G. Scalia, D.H. Hermann* , J. Boyaval*
Attività 2000
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. Questo tipo di ricerche attualmente costituiscono uno dei temi
di maggiore interesse applicativo anche nell’ambito dell’Unione Europea (UE). Ne sono
testimonianza il crescente numero di gruppi di ricerca in Europa, il loro coordinamento
nell’ambito di Network dell’UE (Network nell’ambito dei programmi HCM, TMR,
BRITE, COST, EUREKA, INCO-Copernicus). Gli aspetti applicativi ed il coinvolgimento
delle industrie in queste ricerche sono evidenti in due Network del Programma Europeo
Brite-Euram: il primo su studi e applicazioni degli effetti di superficie e di ancoraggio nei
CL; il secondo su dispositivi per la fotonica basati su CL. Il nostro gruppo di ricerca è uno
dei partner del primo network e G.Abbate è il proponente ed il coordinatore scientifico del
secondo. Noi siamo presenti in quasi tutti i summenzionati network europei di ricerca. In
particolare, nel programma COST è attiva una Azione sull’ottica nonlineare, nel cui
Management Committee G.Abbate rappresenta l’Italia in qualità di Delegato Nazionale.
L’attività di ricerca sia sperimentale che teorica su dispositivi a cristalli liquidi per ottica
integrata è stata condotta in collaborazione con il laboratorio di Ottica dell’Istituto di
Cibernetica del CNR di Arco Felice (NA), con il gruppo del dr. G.C. Righini dell’IROE
del CNR di Firenze (nell’ambito di un progetto coordinato del CNR), con il Prof. M.
Warenghem dell’Università di Lens (Francia), con il Dr. L. Komitov dell’Università di
Goteborg (Svezia) e con il Prof. J. Otòn dell'Università di Madrid. Tale attività è finanziata
dall’INFM e dalla Commissione Europea.
Nel corso del 2000 sono state svolte le seguenti attività:
1) Propagazione di luce in una fibra assottigliata (taper): effetti indotti dalla presenza di
cristallo liquido nella zona del taper
2) Realizzazione, studio della morfologia, caratterizzazione termo-ottica di campioni di
Polymer Dispersed Liquid Crystals (PDLC) drogati con coloranti organici e metalloorganici.
3) 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.
4) Progetto e realizzazione di guide passive polimeriche, loro caratterizzazione ottica,
integrazione con cristalli liquidi ferroelettrici, caratterizzazione elettro-ottica dei
dispositivi integrati realizzati
5) Presentazione di un Progetto di Ricerca di Interesse Nazionale (PRIN) del MURST su
Dispositivi basati su nuovi materiali e composti a cristalli liquidi per
235
- -
l'instradamento di segnali ottici in reti di comunicazione. Il progetto è stato finanziato
ed è attivo da Novembre 2000. Il coordinatore scientifico di questo PRIN è G. Abbate.
Programma 2001
Le nostre attività nel prossimo anno saranno principalmente dedicate alla realizzazione del
progetto PRIN2000 sopra menzionato. Inoltre, intendiamo proseguire lo studio delle
interazioni tra un taper ed un film di cristallo liquido. Infine stiamo procedendo alla
realizzazione dei dispositivi basati sul reticolo di Bragg in guida planare. Questi dispositivi
verranno caratterizzati otticamente nell’intervallo di lunghezze d’onda impiegato nelle
comunicazioni ottiche (1,55 µm)
G. Abbate partecipa inoltre 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. It has been demonstrated that the LC confinement in thin regions, of the order of
few microns, reduces the scattering losses by an order of magnitude from 20 to 2 db/cm.
The presence of ni tense fields, either static or optical, further reduces these losses. On the
other hand, the use of LC as active medium permits to achieve nonlinear optical effects in
guiding structures even with usual CW laser sources at low power levels. It is therefore not
surprising this renewed interest, even for industrial applications, in LC based integrated
optical and electro-optical devices. This is, at present, one the most interesting theme, also
from the application point of view, of the European research. Many EU research Networks
has been working in related fields during the past years and in particular are now active
two Thematic Networks in the frame of the BRITE-EURAM program, involving also
industrial partners: the SALC-NET on surface properties and applications of Liquid
Crystals, and the LC-PHOTONET on Liquid Crystals based photonic devices. Our
research group is one of the partners of the first one and it has proposed the second one, of
which G.Abbate is the scientific co-ordinator. G.Abbate is also the National Delegate for
Italy in the COST Action on Nonlinear optical phenomena and applications.
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) Optical lab of the Istituto di Cibernetica - CNR - Arco Felice (NA),
2) Dr. G.C. Righini group of IROE - CNR - Florence (Italy),
3) Prof. M. Warenghem group at the University of Artois (France),
4) Prof. L. Komitov group at Chalmers University of Technology, Goteborg (Sweden), 5)
Prof. J. Otòn at the Universidad Politecnica de Madrid. This activity is mainly funded
by INFM and the European Commission.
During the year 2000 we performed the following activities:
1) Light propagation in a tapered fibre: effects on it of a liquid crystal film surrounding
the fibre;
236
- -
2) Realization, morphological and thermo-optical characterization of Polymer Dispersed
Liquid Crystals (PDLC) films doped with organic dyes and with metallo-mesogens.
3) 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.
4) 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.
5) Preparation and submission of a National Research Project (PRIN2000) on Devices
for routing in optical networks using new liquid crystals materials and composites
l'instradamento di segnali ottici in reti di comunicazione. The project has been funded
and is active since November 2000. The scientific co-ordinator is G. Abbate.
2001 Program
Our future projects include:
a) Of course, our main activity will be dedicated to the realization of the PRIN2000
program.
b) We will follow the study of the interactions between a LC film and a taper.
c) We will realize the two devices based on the Bragg grating in the planar
waveguide. We plan to made all the optical characterizations in the wavelength
range of interest for optical communications (1,55 µm)
d) G. Abbate is involved 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.
Pubblicazioni
1)
2)
3)
4)
5)
6)
G. Abbate, J. M. Otón, Liquid crystals based photonic devices: LC Photonet, Advanced Materials, 12,
459 (2000)
D.S. Hermann, F. De Marco, G. Scalia, L. Sirleto, G.C. Righini, M. Lindgren, G. Abbate, Electro-Optic
Modulation of Light by a Planar Waveguide Based on Ferroelectric Liquid Crystals, Mol. Cryst and Liq.
Cryst., 352, 379 (2000).
F. Derrien, J.F. Henninot, M. Warenghem, G. Abbate, Thermal (2D+1) spatial optical soliton in dye
doped liquid crystal, J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 2, 332 (2000)
J.F. Henninot, F. Derrien, M. Debailleul, G. Abbate and M. Warenghem, (2D+1) Spatial optical solitons
in dye doped liquid crystal cells, Synthetic Metals 15 (2000)
G. Abbate, M. Bertolotti, Applications of nonlinear optical phenomena and related industrial
perspectives, Editorial of a special issue, J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 2, (2000)
P. Mormile, L. Petti, G.C. Righini, G. Abbate, Basic element for integrated electro-optical devices based
on liquid crystal waveguides SPIE, 4078, 779, (2000)
Convegni e mostre organizzati dalla struttura
Final meeting of the European BRITE Network LC Photonet, Amalfi (Italy) October 11th - 14th 2000,
organizzato da G. Abbate sotto l'egida del Dipartimento
237
- -
Conferenze Internazionali
1.
2.
3.
4.
G. Abbate, J.F. Henninot, F. Derrien, M. Warenghem, Spatial solitons in dye-doped nematic Liquid
Crystal,, International Conference on Nonlinear Optics, ICONO 2000, Davos (Switzerland) March 12-16
2000.
J.F. Henninot, M. Debailleul, F. Derrien, G. Abbate, M. Warenghem, (2D+1) Spatial optical solitons in
dye-doped liquid crystal cells, European Material Conference E-MRS ICEM2000, Strasbourg (France),
May 30-June 2, 2000
G. Scalia, D. S. Hermann, C. Pitois, F. De Marco, G. Abbate, K. D’havé, M. Lindgren, A. Hult, Novel
polymer/ferroelectric liquid crystal waveguides, International Liquid Crystal Conference, ILCC2000,
July 24-28, 2000, Sendai, Japan.
G. Abbate, CD-Rom presentation of the Workshop on Applications of nonlinear optical phenomena,
Amalfi (Italy) October 6th - 10 th 1999, edited by G. Abbate at the University of Naples Federico II,
September 2000, Naples (Italy).
Conferenze nazionali:
G. Abbate Photonic devices for telecommunications based on liquid crystal materials, IV Congresso
Nazionale Società Italiana Cristalli Liquidi, SICL2000, Reggio Calabria 24-26 maggio 2000
Direzione di progetti scientifici di interesse nazionale o internazionale
1) 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
2) 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
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
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 rappresentante italiano nel Management Committee dell'Azione COST P2 dal titolo
Applications of Nonlinear Optical Phenomena
G.Abbate è membro dell'International Advisory Board della conferenza periodica Optics of Liquid
Crystals OLC
G.Abbate è chairman incaricato della prossima conferenza OLC2001 (Napoli, Ottobre 2001)
G.Abbate è membro del Comitato Scientifico del 4° Congresso della SICL (Reggio Calabria, Maggio
2000)
OTTICA APPLICATA
F.Bloisi, L.Vicari
Attività 2000
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, etc.).
Nell’ambito dello studio delle proprietà ottiche nonlineari di sostenze liquide abbiamo
messo a punto ed utilizzato un apparato sperimentale che utilizza il principio del selffocusing/defocusing che modifica la divergenza di un fascio gaussiano di potenza
238
- -
incidente sul campione. La configurazione da noi adottata consente di distinguere gli
effetti termici.
Tale apparato è stato utilizzato per studiare la percolazione in una microemulsione WAD
(water/AOT/decane) mediante tecniche ottiche nonlineari. Abbiamo rilevato un
coefficiente di non linearità definibile come “giant”, ovvero dello stesso ordine di
grandezza di quello che altri autori avevano osservato in prossimità di punti critici. In tali
punti tuttavia la torbidità della miceroemulsione diverge. Giacché ciò non avviene nella
percolazione abbiamo aperto la strada all’utilizzo di microemulsioni quali materiali ottici
non lineari stabili e di costo contenuto.
Risultato di particolare rilievo fra le altre attività di ottica applicata è la messa a punto un
brevetto dal titolo “Concentratore solare innovativo utile per la conversione fotovoltaica
dell’energia solare e per la diffusione della luce artificiale”
Programma 2001
Nel 2001 prevediamo di proseguire l’attività di ricerca sulla caratterizzazione ottica di
sistemi disordinati (cristalli liquidi, microemulsioni, vetri , polimeri, etc.).
Tra le varie attività di ottica applicata viene assumendo sempre maggiore rilevanza
l’indagine su beni culturali indirizzata sia alla caratterizzazione dei materiali costituenti sia
all’analisi morfometrica e cromatica. 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 di una mappatura
tridimensionale di un oggetto.
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.).
To study the nonlinear optical properties of liquids we have prepared and used an
experimental setup based on the self-focusing/defocusing of a gaussian pump laser beam
impinging on the sample. The configuration we used allows to take into account of thermal
effects.
Such apparatus has been used to study percolation in a WAD (water/AOT/decane)
microemulsion by means of nonlinear optical techniques. We have found a “giant”
nonlinear coefficient, i.e. a coefficient of the same order of magnitude of the coefficient
observed by other Authors near critical points. However near critical points the turbidity of
the sample diverges while near percolation WAD microemulsion remains transparent. This
allows the use of microemulsions as low cost and stable nonlinear materials.
Within other applied optics activities must be mentioned the patent of a solar concentrator
for photovoltaic energy conversion: “Concentratore solare innovativo utile per la
conversione fotovoltaica dell’energia solare e per la diffusione della luce artificiale”.
2001 Program
In 2001 we plan to continue our research activity concerning the optical characterization of
disordered systems (liquid crystals, microemulsions, glasses, polymrts, etc.).
239
- -
Within several applied optics activities an important role is played by both the component
material characterization and the morphometric and chromatic analisys of artefacts of
cultural interest. In several application, from testing of industrial products to artefact
analisys for conservation and restoration purposes, it is necessary to obtain a threedimensional map of an object.
Pubblicazioni
1)
2)
L.Vicari, Laser beam self phase modulation by a film of water in oil microemulsion, Europhys. Lett. 49,
564 (2000)
L.Vicari, Optical nonlinearity of water in oil microemulsion near percolation, J. Appl. Phys. 88, 7
(2000)
Conferenze internazionali
L.Vicari, Photorefractive microemulsion, E-MRS - European Materials Research Society - Strasbourg, May
30 - June 2, 2000
Brevetti nazionali ed internazionali
Brevetto per invenzione industriale Concentratore solare innovativo utile per la conversione fotovoltaica
dell’energia solare e per la diffusione della luce artificiale depositato il 14/7/00 No.GE2000A000098 Istituto Nazionale per la Fisica della Materia, Corso Perrone 24, 16152 Genova.
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 2000
- Spettroscopia laser risolta temporalmente
L’attività di ricerca nel campo dell’ottica biomedica con particolare riguardo all’uso a fini
diagnostici della transilluminazione laser risolta temporalmente (TRT) è proseguita
secondo le lineee previste. In particolare, sono stati ottimizzati gli algoritmi, già noti, di
analisi dei dati di trasmittanza che sono stati utilizzati per l’analisi sistematica delle
capacità della TRT nella valutazione di piccole differenze sia di coefficiente di scattering
che di assorbimento di un mezzo omogeneo. Tale studio è stato condotto su diverse scale
temporali. Inoltre, si è avviato uno studio dei limiti e dell’accuaratezza dell’approccio
perturbativo nella risoluzione dell’equazione di diffusione della radiazione all’interno di
mezzi diffondenti. Tale studio è stato diretto soprattutto all’analisi di dati di mezzi con
240
- -
disomogeneità nelle proprietà ottiche allo scopo di fare ricostruzione dell’immagine dei
campioni stessi. Per quel che riguarda tale campo (imaging) è stato anche messo a punto un
nuovo metodo di analisi della risoluzione spaziale di un sistema per imaging diagnostico
basato su tecniche ottiche risolte nel tempo. Tali metodi sono stati applicati a scansioni
lineari ed ad alcune preliminari scansioni tomografiche di campioni modello. Sono state
effettuate, inoltre, alcune misure preliminari di fluorescenza ad uno e due fotoni di mezzi
diffondenti. Sono proseguite le collaborazioni scientifiche avviate con l’University College
di Londra e 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 chimici, fisici e biologici. In particolare si è intrapreso lo studio del problema della
Multi-Drug Resistance (MDR), cioè di quel fenomeno per cui le cellule tumorali diventano
meno sensibili non solo a singoli farmaci anti-neoplastici utilizzati, 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.
Le stime quantitative vanno normalizzate alle concentrazioni di cellule in misura e ciò,
oltre a richiedere la conoscenza del numero di cellule in misura, presuppone che la
concentrazione di dette cellule sia, in misura, costante. Per i grossi errori sperimentali sulle
concentrazioni cellulari (circa 30%) e per gli effetti incontrollabili di sedimentazione e
morte cellulare, il rapporto tra le concentrazioni va determinato da un analisi degli stessi
spettri. In particolare, le differenze tra spettri possono essere dovute a differenze di
concentrazione ed a differenze intrinseche dei campioni. Le differenze di concentrazione
sono riconoscibili dal fatto che sono proporzionali e la loro costante di proporzionalità
rappresenta il fattore di normalizzazione. Se in una coppia di spettri esiste un numero di
segnali proporzionali relativamente grande, la loro costante di proporzionalità sarà il
fattore di normalizzazione cercato. Il nuovo algoritmo di normalizzazione, operante nel
dominio del tempo, massimizza il numero di segnali proporzionali in una coppia di spettri
determinando il relativo fattore di proporzionalità. Questo nuovo algoritmo è stato
applicato all’analisi delle differenze fra spettri di cellule sensibili e resistenti e ha fornito
interessanti risultati preliminari su differenze strutturali e funzionali. Questa attività è stata
svolta in collaborazione con l'Istituto CNR di Arco Felice e l'Istituto Superiore di Sanità.
Programma 2001
- 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. 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. Inoltre, la
realizzazione di fantocci con proprietà ottiche simili ai tessuti biologici in cui sia possibile
includere disomogeneità con proprietà ottiche controllate sarà di fondamanetale
241
- -
importanza per lo sviluppo della ricerca. Misure sperimentali con tecniche di spettroscopia
ottica risolta nel tempo (analizzando diverse scale temporali) saranno condotte su tali
campioni. Si intende, poi, proseguire lo studio delle proprietà di fluorescenza risolta
temporalmente ponendo particolare attenzione alla messa a punto dell’apparato
sperimentale ed allo studio di campioni che simulino il comportamento di tessuti.
- 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 così portato
a termine, estendendo questi studi ad un nuovo modello biofisico tumorale, costituito da un
aggregato di cellule neoplastiche (sferoide).
- Time Resolved Laser Spectroscopy
Experimental studies of accuracy limits of time-resolved transmittance in evaluating
differences in absorption properties of scattering samples have been carried on.
Furthermore, the analysis of novel algorithm for solution of diffusion equation with a
perturbative approach has begun. Particular care in this algorithm have been paid in order
to use it in imaging reconstruction procedure when time-resolved data about bidimensional
scanning of inhomogeneous objects are analysed. As far as the imaging reconstruction is
concerned, a novel method for the evaluation of spatial resolution have been developed.
Furthermore, preliminary investigations on steady-state and dynamic fluorescence on
scattering samples with dyes have been performed.
- 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 gas been developed and
applied to different in vitro experimental situations.
2001 Program
- Time Resolved Laser Spectroscopy
The research activity will be carried on about the different topics already indicated:
1- optical properties of phantom objects by use of time-resolved transmittance and
reflectance techniques;
2- optimization of novel analysis procedures for the solution of diffusion equation;
3- development of image reconstruction algorithms for bidimensional and tomographic
scanning;
4- optimization of tomographic scanning procedure;
5- realization of phantom objects with controlled optical properties both of homogeneous
medium and embedded eterhomogeneities;
6- investigation on time-resolved fluorescence in scattering media with dyes
- 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
242
- -
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
1)
2)
3)
4)
5)
M.Lepore, R.Esposito, P.L.Indovina, Edge response function in optical imaging by time resolved
transillumination, Proc. SPIE, 3907, 600 (2000)
G.Urso, M.Lepore, P.L. Indovina, Optical properties measurements in scattering media by timecorrelated single photon counting system (TCSPCS), Proc. SPIE, 4160, 223 (2000)
M.D.Falco, M.Lepore, P.L. Indovina, Differences in optical properties of normal and tumoral tissues: a
comparison to accuracy limit in laser techniques for optical imaging, Proc. SPIE, 4160, 245-(2000)
R. Romano, M. T. Santini and P. L. Indovina A Time- Domain Algorithm for NMR Spectral
Normalization”, Journal of Magnetic Resenance, 146, 89-(2000)
Santini, M.T., Rainaldi, G. and Indovina, P.L., Apoptosis, cell adhesion and the extracellular matrix in
the three-dimensional growth of multicellular tumor spheroids. Critical Reviews in
Oncology/Hematology, 36, 75-(2000)
Comunicazioni a congressi internazionali
1)
2)
3)
4)
5)
6)
M.Lepore, R.Esposito, P.L.Indovina, Edge response function in optical imaging by time resolved
transillumination, BIOS 2000, S.Josè, 22-28 Jan 2000 (USA)
I.Delfino, M.Lepore, P.L.Indovina, Optical characterization of scattering media with absorbing ink by
time-resolved transmittance, Biomedical Topical Meeting, Miami 2-5 April 2000 (USA)
R.Esposito, M.Lepore, P.L.Indovina, Edge response function measurements with different masks for
image quality investigation in time -resolved laser transillumination, Biomedical Topical Meeting,
Miami 2-5 April 2000 (USA)
G.Urso, M.Lepore, P.L. Indovina, Optical properties measurements in scattering media by timecorrelated single photon counting system (TCSPCS), BIOS Europe, Amsterdam 6-8 July 2000
(Netherlands)
M.D.Falco, M.Lepore, P.L. Indovina, Differences in optical properties of normal and tumoral tissues: a
comparison to accuracy limit in laser techniques for optical imaging, BIOS Europe, Amsterdam 6-8
July 2000 (Netherlands)
R. Romano, M. T. Santini, and P.L. Indovina., MR spectra normalization with a new time domain
algorithm,. Seventeenth Annual Meeting of the European Society for Magnetic Resonance in Medicine
and Biology (ESMRMB '00), Paris, France, September 14-17, 2000, pp. 190-191 (no. 431), Magnetic
Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine, Vol.11, Suppl. 1, 1 September 2000.
Comunicazioni a congressi nazionali
1)
2)
3)
4)
5)
I.Delfino, M.Lepore, P.L.Indovina, Optical characterization of scattering mediawith absorbing agents
by time-resolved transmittance, Congresso nazionale INFM – INFMeeting 2000 12-16 Giugno 2000,
Genova (Italia)
A.Ramaglia, M.Lepore, I.Delfino, P.L.Indovina, Computer controlled roto-translational stages for fiber
optics in optical imaging system, Congresso nazionale INFM – INFMeeting 2000 12-16 Giugno 2000,
Genova (Italia)
P.L.Indovina, M.Lepore, I.Delfino, M.Esposito, R.Esposito, M.D.Falco, G.Urso MAMMOLASER
Project: Recent Developments, Congresso nazionale INFM – INFMeeting 2000 12-16 Giugno 2000,
Genova (Italia)
R.Esposito, M.Lepore, P.L.Indovina, Edge response function measurements with different masks for
image quality investigation in time -resolved laser transillumination, Congresso nazionale INFM –
INFMeeting 2000 12-16 Giugno 2000, Genova (Italia)
R.Esposito, I.Delfino, V.Chernomordik, M.Lepore, P.L.Indovina, Risoluzione spaziale nella
transilluminazione laser risolta temporalmente: confronto teoria del random walk e risultati
sperimentali, LXXXVI Congresso Nazionale SIF, 6-11 Ottobre 2000, Palermo (Italia)
243
- -
6)
Romano, R., Santini, M.T. and Indovina, P.L. Normalization of NMR spectra in cells. Oral presentation.
Congresso Nazionale di Fisica della Materia, Genova, Italy, June 12-16, 2000, p. 6
7) Santini, M.T., Rainaldi, G., Filippini, P., Ferrante, A., Romano, R. and Indovina, P.L. Biophysical
investigations of the interaction between cells and biomaterials surfaces. Congresso Nazionale di Fisica
della Materia, Genova, Italy, June 12-16, 2000, pp. 57-58 (no. P-48).
8) Romano, R., Indovina, P.L., Grossi, G., Motta, A., Pagano, C., Pugliese, M., Santini, M.T. and
Scampoli, P. Spectroscopic studies of a radioprotective agent on non-tumoral and tumoral human cells,.
Congresso Nazionale di Fisica della Materia, Genova, Italy, June 12-16, 2000, p. 292 (no. III-135).
9) Rainaldi, G., Filippini, P., Ferrante, A., Indovina, P.L. and Santini, M.T. Valutazione degli effetti delle
radiazioni ionizzanti su sistemi biologici tridimensionali. Oral presentation. X Convegno Nazionale
della Società Italiana per le Ricerche sulle Radiazioni (S.I.R.R.), Frascati (Rome), Italy, November 1922, 2000, p. 53 (no. S3/01).
10) Santini, M.T. Multicellular tumor spheroids as an in vitro three-dimensional model to study tumor
biology. Invited oral presentation. LXXXVIth Congresso Nazionale della Società Italiana di Fisica,
Palermo, Italy, October 6-11, 2000, p. 177.
11) Romano, R., Lamanna, R., Santini, M.T. and Indovina, P.L. A new algorithm for NMR spectral
normalization. Congresso Nazionale di Fisica della Materia, Catania, Italy, June 14-18, 1999, p. 213
(no. II-77).
GENERAZIONE DI RADIAZIONE VUV e XUV
C. Altucci*, R. Bruzzese, C. de Lisio, A. Porzio e S. Solimeno
Attività 2000
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,
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 (HeNe) 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.
244
- -
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 metalli.
L’esperimento, svolto in collaborazione con il gruppo del Prof. N. Spinelli, ha riguardato
lo studio delle caratteristiche energetiche degli ioni rimossi dalla superficie del metallo
(Al, Cu, Au) irraggiato con gli impulsi laser.
Programma 2001
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 oltre che con il gruppo del Prof. Spinelli, anche
con ricercatori dell’area di Superconduttività, visto l’enorme interesse che la deposizione
laser suscita per la realizzazione di film di materiali superconduttori.
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
245
- -
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 the radiation. To this end, the optimisation of
conversion efficiency by means of non-conventional 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.
2001 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:
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
246
- -
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
1)
C. Altucci, R. Bruzzese, D. D'Antuoni, C. de Lisio, and S. Solimeno, Harmonic generation in gases by
using Bessel-Gauss laser beams, J.Opt.Soc.Am. B, 17, 34 (2000).
2) C. Altucci, R. Bruzzese, C. de Lisio, M. Nisoli, S. Stagira, S. De Silvestri, O. Svelto, A. Boscolo, P.
Ceccherini, L. Poletto, G. Tondello, and P. Villoresi, Tunable soft x-ray radiation by high order
harmonic generation, Phys.Rev. A, 61, 021801(R) (2000).
3) E. Priori, G. Cerullo, M. Nisoli, S. Stagira, S. De Silvestri, P. Villoresi, L. Poletto, P. Ceccherini, C.
Altucci, R. Bruzzese, and C. de Lisio, Non-adiabatic three-dimensional model of high-order harmonic
generation in the few-optical cycle regime, Phys. Rev. A, 61, 063801 (2000).
4) M. Nisoli, S. Stagira, G. Cerullo, S. De Silvestri, O. Svelto, P. Ceccherini, L. Poletto, G. Tondello, P.
Villoresi, C. Altucci, R. Bruzzese, and C. de Lisio, Spectral Analysis of High Order Harmonic
Generation: from 30-fs down to sub-10-fs Temporal Regime, Appl.Phys.B, 70, S215 (2000).
5) C. Altucci, R. Bruzzese, C. de Lisio, M. Nisoli, G. Cerullo, S. Stagira, S. De Silvestri, O. Svelto, A.
Boscolo, P. Ceccherini, L. Poletto, G. Tondello, and P. Villoresi, A comparison between the 30 fs and
the sub-10 fs regimes in High-OrderHarmonic generation experiments, J.Opt.A, 2, 289 (2000).
6) P. Villoresi, P. Ceccherini, L. Poletto, G. Tondello, C. Altucci, R. Bruzzese, C. de Lisio, M. Nisoli, S.
Stagira, G. Cerullo, S. De Silvestri, O. Svelto, Spectral features and modeling of high-order harmonics
generated by sub-10-fs pulses, Phys.Rev.Lett, 85, 2494 (2000).
7) P. Ceccherini, A. Boscolo, L. Poletto, G. Tondello, P. Villoresi, C. Altucci, R. Bruzzese, C. de Lisio, M.
Nisoli, S. Stagira, S. De Silvestri, O. Svelto, Gas medium ionization and harmonic wavelength tunability
in high-order harmonic generation with ultra-short laser pulses, Laser and Part. Beams, 18, 477 (2000).
8) F. De Filippo, C. de Lisio, P. Maddalena, G. Lérondel, and C. Altucci, Measurement of porous silicon
dielectric constant by VUV laser harmonic radiation, Phys. Stat. Sol. A, 182, 261 (2000).
9) G. Cerullo, G. Lanzani, M. Nisoli, E. Priori, S. Stagira, M. Zavelani-Rossi, O. Svelto, L. Poletto, P.
Villoresi, C. Altucci, C. de Lisio, Ultra-fast spectroscopy and extreme nonlinear optics by few-opticalcycle laser pulses, Appl. Phys. B, 10.1007/s003400000465 (2000).
10) S. Amoruso, X. Wang, C. Altucci, C. de Lisio, M. Armenante, R. Bruzzese, R. Velotta, Thermal and
non-thermal ion emission during high fluence femtosecond laser ablation of metallic targets, Appl. Phys.
Lett., 77, 3728 (2000).
247
- -
1)
2)
3)
C. Altucci, R. Bruzzese, C. de Lisio, E. Priori, G. Cerullo, M. Nisoli, S. Stagira, S. De Silvestri, O.
Svelto, L. Poletto, G. Tondello, P. Villoresi: Tunable high-order harmonic radiation in the few optical
cycle regime, 7th International Conference on X-ray Lasers, Saint Malo, France, June 19-23, 2000.
S. De Silvestri, G. Cerullo, M. Nisoli, E. Priori, S. Stagira, O. Svelto, L. Poletto, G. Tondello, P.
Villoresi, C. Altucci, R. Bruzzese, C. de Lisio, High-order harmonic generation in the few-optical-cycle
regime: spectral characteristics and modeling, The Twelfth International Conference on Ultrafast
Phenomena and Tabletop Exhibit, Charleston Place, South Carolina (USA), July 9-13, 2000.
M. Nisoli, S. Stagira, G. Cerullo, S. De Silvestri, O. Svelto, P. Villoresi, P. Ceccherini, L. Poletto, G.
Tondello, C. Altucci, R. Bruzzese, C. de Lisio, Sub-10-fs laser driven high-order harmonic generation:
spectral characteristics and modeling, Conference on Lasers and Electro-Optics/Europe – International
Quantum Electronics Conference 2000, Nice Acropolis, Nice, France, September 10-15, 2000.
OTTICA NONLINEARE PER LO STUDIO DI SUPERFICI
L. Marrucci, D. Paparo *, E. Santamato
Attività 2000
Nel corso del 2000 sono stati compiuti alcuni esperimenti di generazione di luce di
seconda armonica (SHG) da superfici, applicati allo studio di processi di adsorbimento di
molecole disciolte in soluzione su superfici solide. Questa ricerca si è sviluppata in
sinergia con le attività di tipo applicativo svolte nell'ambito del Centro Metodologie
Ottiche (progetto sud INFM - responsabile prof. Salvatore Solimeno). Si è utilizzato un
apparato da noi sviluppato per la generazione di luce di seconda armonica da superfici
basato su un laser al Titanio-zaffiro amplificato. Con questo apparato, abbiamo svolto una
misura diretta, in situ, dell'isoterma di adsorbimento di un tensioattivo cationico su uno
strato di ossido di titanio in soluzione acquosa, al crescere della concentrazione. Allo
stesso modo, è stato studiato l’adsorbimento del tensioattivo all’interfaccia acqua-aria.
Inoltre sono state effettuate con la SHG misure dell’adsorbimento di additivi polari
molecolari disciolti in oli lubrificanti su superfici metalliche, con l’obiettivo di dimostrare
l’applicabilità di questa tecnica allo studio di problematiche di tribologia.
Programma 2001
Nel 2001 si intende procedere sulle medesime due linee dell’anno precedente. La prima
riguarda lo studio del fenomeno della lubrificazione a strato limite, utilizzando la tecnica
SHG per rivelare le molecole polari di lubrificante adsorbite sulle superfici solide a
contatto e le modificazioni che si inducono sotto l’effetto di vari agenti elettrici e
meccanici. In particolare, si intende sviluppare un apparato a forze superficiali (SFA) che
permetterebbe di creare un “punto di contatto” Herziano tra superfici solide ben
controllato e di estensione macroscopica, adatto alla implementazione di tecniche ottiche.
La seconda linea consiste nello studio degli stati di aggregazione di film di Langmuir
sempre con la tecnica SHG, unita a tecniche ordinarie di misura della tensione
superificiale. In particolare si vogliono studiare tensioattivi nuovi (ad esempio i cosiddetti
“gemini”), sintetizzati dal gruppo di Chimica Organica dell’Università di Torino, con cui è
in corso una collaborazione.
248
- -
During the 2000 we have performed several experiments of second harmonic generation
(SHG) from surfaces, applied to the study of molecular adsorption processes from liquid
solutions onto solid surfaces. This project has been developed in synergy with the R&D
activities carried out within the framework of Centro Metodologie Ottiche (progetto sud
INFM – led by prof. Salvatore Solimeno). We utilized the apparatus that we have
developed for surface SHG, based on an amplified Titanium-Sapphire laser. By means of
this apparatus, we have carried out a direct measurement, in situ, of the adsorption isoterm
of a cathionic surfactant on a Titanium-Oxide layer from an acqueous solution, as a
function of bulk concentration. By the same method we have studied the adsorption of the
surfactant on the water-air interface. Moreover, we have carried out SHG measurements of
the adsorption of polar molecular additives dissoved in lubricant oils on metal surfaces,
with the goal of proving the applicability of this technique to tribological problems.
2001 Program
In the 2001, we plan to proceed along the same two lines as in the last year. The first
concerns the subject of boundary lubrication, using SHG to detect the polar molecules
adsorbed on solid surfaces in contact and the modifications occurring under the action of
different electrical or mechanical agents. In particular, we plan to set up a surface force
apparatus (SFA) that would allow us to establish a well controlled Hertzian “contact point”
having macroscopic dimensions, suitable for optical investigations. The second line
consists of studying the self-assembly and the different organization phases of Langmuir
films, combining SHG with surface tension measurements. In particular we will study new
families of surfactants (for example the so-called “gemini”), synthetized by the Organic
Chemistry Group of Università di Torino, with which there is an ongoing collaboration.
Pubblicazioni
L. Marrucci, D. Paparo, G. Cerrone, S. Solimeno, R. Russo, T. L. Lenza, P. Siano, Optical
analysis of surfaces by second harmonic generation: possible applications to the
tribological field”, 2000 AIMETA Int. Tribology Conf. Proceedings, p. 389-396 (2000).
L. Marrucci, D. Paparo, G. Cerrone, S. Solimeno, R. Russo, T. L. Lenza, P. Siano, Optical
analysis of surfaces by second harmonic generation: possible applications to the
tribological field, 2000 AIMETA Int. Tribology Conference (20-22 September 2000,
L’Aquila – Italy).
OTTICA NONLINEARE NEI CRISTALLI LIQUIDI
L. Marrucci, D. Paparo* , B. Piccirillo*, E. Santamato
249
- -
Attività 2000
Nel 2000 l'attività del gruppo di ricerca è stata incentrata su tre linee principali
1) Miscele di cristalli liquidi e coloranti organici (dye)
2) Riorientazione ottica dei cristalli liquidi
- Miscele di cristalli liquidi e coloranti organici (dye)
Dopo aver terminatole misure di riorientazione ottica nei cristalli liquidi amplificata da
coloranti organici (effetto Jánossy) derivati dall’antrachinone, si è passati allo studio del
medesimo effetto di amplificazione indotto da coloranti derivati da azobenzeni (azodye). I
coloranti azobenzenici, a differenza degli antrachinoni, possono subire trasformazioni
conformazionali dalla forma trans alla forma cis e viceversa.. L’effetto di amplificazione
riorientazionale degli azodye è almeno un ordine di grandezza maggiore che per gli
antrachinoni. Il modello elaborato per spiegare l’effetto Jánossy non è in grado di
giustificare una risposta così elevata. Le ipotesi finora avanzate per spiegare il fenomeno
sono tre: un effetto Jánossy mediato dalle transizioni conformazionali, che ne
aumenterebbero l’efficacia, la produzione di cariche libere nel materiale con conseguenti
forti campi elettrici locali, l’adsorbimento fotoindotto del colorante sulle pareti del
campione, che ne altererebbe le proprietà di ancoraggio.
Per cercare di far luce sui meccanismi molecolari in gioco, abbiamo iniziato una serie di
misure su campioni di cristalli liquidi drogati con azodye. Per determinare in modo chiaro
il ruolo svolto dalle transizioni cis-trans, si è avviata una collaborazione con un gruppo di
chimici dell’Università di Torino, i quali prepareranno 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. Si pensa di
avere qualche risultato significativo nell’anno in corso (2001)
- Riorientazione ottica dei cristalli liquidi
È stata sperimentalmente dimostrata la possibilità di trasferire momento angolare orbitale
da un fascio di luce a un cristallo liquido, mettendolo in rotazione. L’esperimento è stato
accettato per la pubblicazione su Physical Review Letters. È stata studiata anche la
competizione tra momento angolare orbitale e di spin dei fotoni nel processo di
riorientazione. Sperimentalmente si è visto che tale competizione può dar luogo a diversi
regimi dinamici (stati stazionari, oscillazioni nonlineari, rotazioni) e, probabilmente, a caos
deterministico. La costruzione della mappa dei regimi dinamici nello spazio dei parametri
di controllo del sistema è in corso. Si è anche formulato un modello originale che, nelle
aspettative, dovrebbe render conto degli aspetti qualitativi delle dinamiche osservate.
Programma 2001
Nel 2001 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.. Si cercherà, in particolare, di determinare il ruolo svolto dalle transizioni
conformazionali fotoindotte.
Sul fronte della riorientazione ottica indotta nei cristalli liquidi, si terminerà la costruzione
della mappa dei regimi dinamici osservati in presenza di competizione tra il trasferimento
momento orbitale e di spin dei fotoni. Si vedrà poi se i risultati sono consistenti con il
modello elaborato. Infine, si passerà allo studio della dinamica caotica. Parallelamente, se
250
- -
le poche risorse a disposizione lo consentiranno, si sfrutterà il trasferimento di momento
angolare orbitale della luce alla materia per orientare piccole particelle trasparenti e
isotrope intrappolate in una pinza ottica.
In 2000 our research activity covered the following topics:
1) Liquid crystal-dye mixtures
2) Optical reorientation in liquid crystals
- Liquid crystal-dye mixtures
Having carried out our measurements of Jánossy effect in antraquinone dyes, we start to
study the same effect in azodyes. Unlike antraquinone dyes, azodyes can suffer
photoinduced conformational cis-trans transitions. Azodyes produce an amplification of
the optical reorientation in liquid crystals at least one order of magnitude larger than
antraquinone dyes. To understand this phenomenon three hypothesis have been made: (a)
the cis-trans photoisomerizations enhance the Jánossy effect, (b) free charges are produced
in the material, creating strong local electric fields, (c) azodyes are adsorbed at the sample
wall and change their anchoring properties. All these processes are assumed to be mediated
by the light induced isomerizations. To shed some light about the molecular mechanisms
involved in, we started measurements on nematic liquid crystals doped by a homologous
series azodyes prepared I the framework of a collaboration with chemists of Torino
University. We hope having significant results in the present year (2001)- Optical reorientation in liquid crystals.
We proved experimentally that the orbital angular momentum of light can be transferred to
a liquid crystal. We studied also the competition between the orbital and spin parts of the
total angular momentum of light in reorienting the sample. We observed that such a
competition may lead to different dynamical regimes (steady-states, nonlinear oscillations,
rotations) and also to deterministic chaos. The mapping of the dynamical regimes in the
space of the control parameters is under way. We formulated also a model that, hopefully,
should explain the main features of the observed dynamics.
2001 Program
We plan to carry on the study of Jánossy effect in liquid crystals doped with the
homologous series of azodyes provided by the chemists of Torino University. In particular,
we want determine the role played by the cis-trans photoisomerizations of the dye.
On the optical reorientation side, we plan to carry out the mapping of the dynamical
regimes induced by the competition between the orbital and spin photon angular
momentum. Later, we will pass to study the chaotic dynamics we observed. At the same
time, if we could, we want try to orient by means of the orbital angular momentum of light
small transparent isotropic particles trapped in a optical tweezers.
Pubblicazioni
1)
L. Marrucci, D. Paparo, M. R. Vetrano, M. Colicchio, G. Viscardi, E. Santamato, Role of dye structure
in photoinduced reorientation of dye-doped liquid crystals, J. Chem. Phys., 113, 10361 (2000).
251
- -
2)
3)
M. Kreuzer, L. Marrucci, D. Paparo, Light-induced modification of kinetic molecular properties:
enhancement of optical Kerr effect in absorbing liquids, photoinduced torque and molecular motors in
dye-doped nematics, J. Nonlinear Opt. Phys., 9, 157 (2000).
L. Marrucci, B. Piccirillo, F. Vetrano, E. Santamato, Longitudinal extra -torque in liquid crystals due to
the optical beam shape, J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 2, 294 (2000).
B. Piccirillo, C. Toscano, and E. Santamato, Nonlinear oscillations and chaos induced in liquid crystals by
the competition between spin and orbital momentum of photons, Workshop on “Introduction to theory and
modeling of thermotropic liquid crystals”, Portoroz, Slovenia, 14-18 aprile, 2000
Conferenze nazionali
E. Santamato, Il ruolo del momento angolare orbitale della luce nella riorientazione ottica dei cristalli
liquidi, IV Congresso Nazionale Società Italiana Cristalli Liquidi, SICL2000, Reggio Calabria 24-26 maggio
2000
Partecipazione ad Editorial Board di riviste scientifiche
E. Santamato è referee stabile delle seguenti riviste:
Physical Review Letters
Physical Review E
Optics Letters
Chemical Physics Letters
SPETTROSCOPIA LASER AD ELEVATA RISOLUZIONE E
SENSIBILITÀ
A.Bruno, N.Malagnino, G.Pesce, G.Rusciano, A.Sasso
Attività 2000
L’attività svolta nel corso del 2000 ha riguardato le seguenti linee di ricerca.
- Spettroscopia laser ad elevata sensibilità di molecole semplici
Nel corso dello scorso anno è stata avviata la realizzazione di un apparto per spettroscopia
molecolare ad elevatissima sensibilità basato sull’utilizzo di radiazione nel medio
infrarosso generata mediante un processo di ottica non lineare che va sotto il nome di
frequenza differenza.
L’interesse per questa regione spettrale risiede nel fatto che molte specie molecolari
presentano bande di assorbimento dei modi vibrazionali fondamentali proprio tra 3 e 10
micron. Al contrario, le transizioni accessibili con i diodi laser nel vicino infrarosso
corrispondono a transizioni di sovratono o di combinazione che risultano alcuni ordini di
grandezza più deboli rispetto alle transizioni vibrazionali fondamentali.
L’ apparato per la generazione di radiazione coerente nel medio IR è basato sull’utilizzo di
un laser a Nd-YAG (P=500 mW) e un laser a diodo a 780 nm (P=10 mW) mentre come
252
- -
cristallo non lineare si è utilizzato un cristallo di Niobato di Litio Periodically Poled
(PPLN).
La radiazione generata è stata caratterizzata in termini della efficienza di produzione,
dell’accettanza in lunghezza d’onda e temperatura e della qualità spaziale del fascio.
Le molecole che sono state finora investigate sono: il vapor acqueo ed il protossido di
azoto. In particolare, per l’acqua sono state investigate numerose transizioni vibrorotazionali appartenenti al modo di stretching simmetrico e per queste sono stati
determinati i coefficienti di allargamento collisionale in presenza di acqua e in presenza di
azoto ed ossigeno.
- Realizzazione di un sistema per l’intrappolamento di particelle microscopiche
E’ stata avviata una nuova attività riguardante la manipolazione di oggetti micrometrici
mediante forze di tipo ottico (optical tweezers). Il sistema realizzato consiste di un diodo
laser (830nm) che viene iniettato in un microscopio ottico convenzionale e attraverso
obiettivi ad elevata apertura numerica viene focalizato sulla particella da intrappolare.
Il sistema è stato caratterizzato in termini della forza massima radiale che è risultata variare
nell’intervallo compreso tra 0.2 e 30 pN utilizzando una potenza laser di poche decine di
mW. La trappola è stata poi caratterizzata studiando la forma della buca di potenziale
prodotta dal campo laser.
Programma 2001
La generazione di radiazione coerente nella regione spettrale del medio infrarosso
mediante la difference frequency generation costituirà una delle principali attività nel corso
del 2000. Tale radiazione sarà generata a partire da sorgenti laser a stato solido e laser a
diodo realizzando la condizione di phase matching con cristalli periodically poled. La
radiazione così generata sarà utilizzata sia per esperimenti di fisica molecolare ad elevata
sensibilità che per lo studio di spettri molecolari ed atomici in assenza di allargamento
Doppler (alta risoluzione).
A tal fine si procederà ad un incremento della potenza DFG utilizzando come sorgente di
pompa un sistema master-slave costituito da due diodi laser di cui uno di potenza più bassa
(master) stabilizzato in frequenza ad una cavità esterna che inietta un secondo diodo di
potenza più elevata (80 mW). Con tale sistema la potenza generata nel medio IR sarà di
alcuni microWatt.
L’applicazione spettroscopica riguarderà lo studio del radicale libero OH.
Per quanto concerne l’attività sulla manipolazione ottica si procederà alla realizzazione di
una seconda pinzetta ottica utilizzando un microscopio invertito.
Gli esperimenti che si intende sviluppare riguarderanno sia lo studio di nuove
configurazioni di trappole (onda stazionaria, trappole orientazionali) che applicazioni
biologiche riguardanti proprietà meccaniche e reologiche di catene polimeriche (DNA).
The scientific activity has concerned the following points.
- Generation of coherent radiation in the Mid IR for molecular spectroscopy experiments.
253
- -
During the last year has started a new activity concerning the generation of coherent
radiation in the middle infrared spectral region based on frequency difference generation.
The interest for this spectral region is due to the fact that most molecules exhibit their
fundamental vibrations just between 3 and 10 micron. On the contrary, the absorption
molecular lines in the near IR accessible to semiconductor diode laser belong to overtone
or combination bands and, for this reason, are two or more order of magnitude weaker.
The system for the DFG is based on a Nd-YAG (P=500 mW)laser and a diode laser
emitting at 780 nm (P=10 mW) while as non linear crystal a periodically poled lithium
niobate crystal (PPLN) has been used.
The produced radiation in the mid-IR region has been tested in terms of the spectral
tunability, conversion efficiency, wavelength and temperature acceptance and spatial
profile quality.
Using a simple absorption scheme the linesghapes of several lines of H2 O and N2 O
molecules have been investigated. In particular for water vapour molecule we have
measured self-broadening and N2 - and O2 - broadening coefficient for lines belonging to the
ν1 vibrational strecthing mode.
The purpose of this activity is mainly devoted to high sensitivity and high resolution
detection of small molecules (water, free radicals, etc.).
-Development of an optical tweezers for manipulation of microscopic particles
We have realised an optical tweezers system based on a diode laser (830nm) and a
conventional microscope. The laser been has been strongly focused onto the particle to be
trapped by means of high numerical aperture microscope objectives.
We have measured the maximum lateral force exerted on polystyrene particles of different
diameters and at different laser power finding force of fwe pN.
Moreover we have investigated the shape of the optical potential well and measured its
stiffness.
2001 Program
The generation of coherent radiation in the middle infrared spectral region by means of
difference frequency generation will represent the main activity during the present year.
Such radiation will be generated by using solid state lasers and dye laser while the phase
matching condition will be realised in periodically poled crystals.
The radiation so generated will be used in high sensitivity molecular spectroscopy
experiment and to investigate molecular spectra free by Doppler broadening (high
resolution).
In order to increase the power in the mid-IR a new laser source will be developed. It
consist of two lasers (master-slave system) : one is locked on an external cavity while the
second one, of higher power (80 mW) will be injected by the first one. In this way we
estimate to produce DFG power of the order of several µW.
The main spectroscopic application will concern the free radical OH.
A new optical tweezers will be realised by using an inverted optical microscope
(Olympus).
The experiments that will carry out will concern the development of new trap scheme
(stationary wave, orientationa trap) and biological application for the study of mechanical
and rheologic properties of polymeric chains (DNA).
254
- -
Pubblicazioni
1)
G.D’amico, G.Pesce and A.Sasso, High resolution spectroscopy of stable xenon isotopes, Hyperf. Int.,
127, 121 (2000).
2) L.Gianfrani, G.Gagliardi, G.Rusciano and A.Sasso, Frequency noise reduction of a
DFB diode laser at 1393 nm, NASA/CP-2000-209899, Proc. of VI
Intern.Conference on Squeezed States and Uncertainty Relation, D.Hanna, Y.S.Kim
and S.Solimeno eds., Series (2000).
3) L.Moretti, A.Sasso, L.Gianfrani, R.Ciurlo, Collisional-broadened and Dicke
narrowed line shapes of H2 16 O and H2 18 O transitions at 1.39 µm, J. Mol. Spectr.,
205, 20 (2001).
A.Sasso, A. Bruno, G. Pesce, G. Rusciano, High resolution spectroscopy of ν 1 H2 O band
at 3µm by DFG, E.C.A.M.P., Berlin, 2-6 aprile 2001.
1. Bruno, G. D’Amico, G. Pesce, G. Rusciano and A. Sasso, Infrared spectrometer based on DFG at 3 ? m,
Congresso Nazionale di Fisica della Materia, Genova, 12-16 giugno 2000.
2. G. Pesce, G. Rusciano, A. Sasso, Generazione di radiazione a 3 ?m per spettroscopia molecolare ad
elevata sensibilità, Società Italiana di Fisica - LXXXVI Congresso Nazionale, Palermo, 6–11 ottobre
2000.
OTTICA QUANTISTICA
A. Porzio *, S. Solimeno
Attività 2000
- Generazione, caratterizzazione ed applicazione di radiazione non classica
Attualmente sono operanti a Napoli due cw OPO atti a generare diversi tipi di stato non
classico. Il primo consta di un cristallo di niobato di litio (phase matching non critico di
tipo I) ed è utilizzato per la generazione di radiazione squeezed da vuoto. Su questo
sistema è in corso di messa a punto la tecnica di tomografia quantistica. Inoltre il sistema
può essere portato sopra la soglia di oscillazione per l'analisi della correlazione dei fasci
gemelli quasi-degeneri. Nel corso dell'ultimo anno il sistema è stato a lungo investigato dal
punto di vista delle correlazioni quantistiche dei fasci generati al di sopra della soglia di
oscillazione. La misura della correlazione è 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.
Il secondo è basato su di un cristallo di KTP (phase matching di tipo II) e genera fasci
gemelli cross-polarized. Grazie alla bassa soglia di oscillazione (<10 mW) raggiunta è
stato possibile utilizzare questo sistema per lo studio delle proprietà di rumore di un OPO
255
- -
che lavori in regime di pompa molto intensa sia per quanto riguarda la correlazione sia per
quanto riguarda il rumore in intensità del singolo fascio generato. Abbiamo verificato che
in questo regime il sistema ha un comportamento che finora nessuna analisi aveva
completamente descritto. Per questo motivo oltre ad un lavoro sperimentale abbiamo
parallelamente portato avanti un lavoro teorico.
- 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 atto a misurare il rumore termico di uno specchio sospeso. La
collaborazione per ora ha visto un componente del gruppo lavorare alla stabilizzazione in
frequenza del laser da adoperare nell'apparato. Al momento è in fase di realizzazione
l'intero apparato. Il gruppo ha collaborato al montaggio della parte ottica su di un banco
sospeso posto di fronte al super attenuatore.
- Proprietà della radiazione di fluorescenza in processi di laser cooling
Il gruppo si occupa, in collaborazione con i colleghi Proff. G. Marmo e F. Zaccaria e Dr. P.
Aniello,
dello studio di sistemi di ioni intrappolati. In particolare sta studiando la
possibilità di pilotare la dinamica di questi ioni mediante opportune combinazioni di fasci
laser. Il controllo della dinamica di un tale sistema è importante sia per le proprietà della
radiazione emessa per fluorescenza da tali sistemi che per le proprietà quantistiche degli
stati generati.
Programma 2001
Nel corso del 2001 si intende proseguire lo studio e la caratterizzazione delle sorgenti di
fasci gemelli in continua messe a punto nel corso degli ultimi due anni. I fasci gemelli
verranno inoltre impiegati in misure ad elevata sensibilità e 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. In questo modo sarà possibile la ricostruzione funzione di Wigner e da questa
si potrà risalire ad informazioni sulle trasformazioni che lo stato subisce nel suo cammino
ottico. Le misure tomografiche sono basate sulla rivelazione omodina di un fascio. 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.
- Generation, characterisation and application of non-classical radiation
The group is involved in theoretical and experimental activities connected with the
generation, characterisation and application of non-classical light.
The core of the experimental activity deals with the optimisation and characterisation of
two different sources of non-classical radiation. The first of this sources is a triply resonant
degenerate Optical Parametric Oscillator (OPO), based on a LiNbO3 crystal (type I phasematching), pumped by a duplicated diode pumped Nd:YAG source, and operating below
threshold to produce vacuum squeezed light. At the present the OPO can be driven below
256
- -
and above threshold by using 70 mw green light as pump. The possibility of reach the
oscillation threshold allows the control of the degree of squeezing of the apparatus output.
During 1999 it has been carried out a first indirect measurement of the squeezed properties.
The group has developed the numeric routine to reconstruct the Wigner function of the
produced state by means of a optical tomographic technique. Moreover a system to
measure the correlation in a very close to degeneracy situation has been planned out.
The second non-classical light source is a KTP (type II phase-matching) OPO, which
produces cross-polarised twin beams.
This system is operating since the end of 1999. It shows a very low oscillation threshold of
about 12 mW and a 2% stability of the signal and idler beams (measured over few
minutes). A systematic analysis of the correlation has been carried out for different
experimental conditions. The measured correlation perfectly agrees with the expected
values.
The group has collaborated with the INO (National Optics Institute) in Florence to set up a
tomographic apparatus for measuring the Wigner function of the radiation emitted by a
laser diode (M. (Fiorentino et al. "Self homodyne tomography of a diode laser" to be
pubblished on Journal of Optics B Aprile 2000). In addition it has been performed in
collaboration with the Shanxi University, Shanxi Province, Taiyuan, China, a QND
measurement with twin beams (Hai Wang, A. Porzio et al. "Experimental realization of a
quantum measurement for intensity difference fluctuation using a beam-splitter" PRL
82:1414 (1999); A. Porzio et al. "QND-like" quantum measurement of intensity difference
fluctuation" submitted to J. of Optics B).
The results have been presented at the National Annual Meeting of the Italian Physics
Society by A. Porzio. This talk has been selected as the best talk in Condensed Matter
Physics.
Both these works have been presented at the 6th International Conference on Squeezed
State and Uncertainty Relations held in Naples, at the new Monte Sant'Angelo Campus,
from May 24th to May 29th . This Conference has been organised by the group in
collaboration with other faculty members of the Physics Department. More than 200 people
from more than 30 different countries participated in the Conference.
- Plane parallel optical cavity for high sensitivity measurements
The group co-operates with the LFF project in Pisa at the experimental realisation of a
suspended plane parallel Fabry-Perot cavity for measuring the thermal noise of a
suspended mirror. Up to now one member of the group has collaborated to the frequency
stabilisation of the laser. In particular the study of the response of such an optical cavity
illuminated by a Gaussian beam has been carried out even in a classical or quantum
regime experimentally verifying the transmittivity profiles (P. La Penna et al.
Transmittivity Profile of high finesse plane parallel Fabry-Perot cavities illuminated by
Gaussian beams, Opt. Comm. 162: 267 (1999); Benabid et al. "The low frequency facility,
R&D experiment of the Virgo project" pubblished on J. of Optics B April 2000).
In 1999 we started to study the problems connected with the low frequency Brownian
motion of a mechanical oscillator by means of a Lindblad Master equation in the form
indicated by Diosi. The preliminary results of this study have announced at VI ICSSUR.
The quantum treatment of this system needs a complex model that take into account the
coupling between the e.m. cavity modes with the mechanical modes of the mirror.
- Property of the fluorescence radiation in laser cooling processes
257
- -
In the last period the group has started to deal, in collaboration with Profs. G. Marmo, F.
Zaccaria and Dr. P. Aniello, a theoretical study of N trapped ions. In particular we are
studying the quantum characteristics of the emitted fluorescence radiation in a trapped
system (S. Solimeno et al., "Trapped ions in laser fields: a benchmark for deformed
quantum oscillators", Phys. Rev. A) in the more general framework of J-C models for
quantum computing.
2001 Program
In the year 2001 the group will complete the characterisation of the squeezed vacuum
source carrying on the analysis of the generated signal in different experimental conditions
and controlling all the parameters in order to gain information on the evolution of the state
in proximity of the oscillation threshold. Optical tomographic technique will be applied to
the system to reconstruct the Wigner distribution of the squeezed state. Moreover the
Lithium Niobate OPO will be driven above threshold to produce nearly degenerate twin
beams.
At the same time it will be taken to the end the characterisation of the twin beams source
based on a KTP OPO by investigating the phenomena influencing the quantum noise
reduction of these systems.
The involvement into the LFF project will continue by dwelling on the mentioned
problems relative to the coupling of the Brownian motion with the e.m. modes of the
cavity. In particular it will be started a numerical simulated analysis of the influence of the
thermal modes of the mirror surface on the field evolution inside the cavity. This point is
crucial for estimating the sensitivity that can be reach by this device.
For what concerns the trapped ions system we will proceed in the study of multiple
entangled systems looking forward to possible developments in the field of quantum
computation.
Pubblicazioni
1)
2)
3)
4)
5)
6)
M. Fiorentino et al., Self homodyne tomography of a diode laser, J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt., 2,
172 (2000)
Benabid et al., The low frequency facility, R&D experiment of the Virgo project, J. Opt. B: Quantum
Semiclass. Opt., 2, 184 (2000)
A. Porzio, F. Sciarrino, A. Chiummo, and S. Solimeno, Twin beams for strong pumping, Z. Naturforsh.,
56-a, 224 (2000)
V.I. Man'ko, G. Marmo, A. Porzio, S. Solimeno and F. Zaccaria, Trapped ions in laser fields: a
benchmark for deformed quantum oscillators, Phys. Rev. A, 62 , 53407 (2000)
P Aniello, V Man’ko, G Marmo, S Solimeno and F Zaccaria, On the coherent states, displacement
operators and quasidistributions associated with deformed quantum oscillators; J. Opt. B: Quantum
Semiclass. Opt., 2, 718, (2000)
S. Solimeno, Quantum treatment of suspended PPFP cavities in presence of mirror thermal noise, in
“Gravitational Waves and Experimental Gravity”, Tran Thanh, Van, J. Dumarchez, S. Reynaud, C.
Salomon, J. Y. Vinet eds., World Publishers (2000)
1.
Kunchi Peng, Hai Wang,Yun Zhang, Qing Pan, Hong Su, A. Porzio, Changde Xie, Generation and
Application of High Quantum Correlated Twin Beams, in D. Han, Y.S. Kim, and S. Solimeno, eds,
“Sixth International Conference on Squeezed States and Uncertainty Relations”, Goddard Space Flight
Center, Greenbelt, Maryland, 2000. NASA/CP-2000-209899, p.443.
258
- -
2.
M. Fiorentino, A. Conti, G. Giacomelli, A. Zavatta and F. Marin, Self Homodyne Tomography of a laser
diode, in D. Han, Y.S. Kim, and S. Solimeno, eds, “Sixth International Conference on Squeezed States
and Uncertainty Relations”, Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland, 2000. NASA/CP-2000209899, p.313.
1.
2.
Generazione e analisi di fasci gemelli (twin beams) prodotti in diversi OPO., SIF Conferenza Nazionale
- Palermo Ottobre 2000
Twin-beams statistics for strong pump depletion, Quantum Mysteries and Puzzles, Gargnano Lago di
Garda, Ottobre 2000.
S. Solimeno è Presidente Consiglio Scientifico dell’Istituto Fisica Atomica e Molecolare
del CNR di Pisa
S. Solimeno è membro del Consiglio Scientifico delle seguenti riviste scientifiche:
- Journal of Physics B
- Atomic and Optical Physics
Salvatore Solimeno è Guest Editor dello special Issue: "Quantum Correlations and
Fluctuations" del Journal of Optics B (pubblicato Aprile 2000)
S. Solimeno è referee per i seguenti giornali:
- J. Phys. B
- IEEE J. Quantum Electronics
FISICA DEGLI ATOMI ULTRAFREDDI
G. Affinito, L. Cacciapuoti*, A. Castrillo, M. de Angelis*, G.M. Tino
Attività 2000
Questo gruppo di ricerca ha messo a punto un apparato per il confinamento e
raffreddamento di atomi di rubidio. Il sistema a doppia trappola magneto-ottica (MOT) è
stato realizzato con un'architettura verticale che, insieme alla particolare forma delle celle e
al tipo di trappola magnetica disegnata, permette un grande accesso ottico e anche la
possibilità di accesso meccanico alla zona di confinamento degli atomi. La grande
accessibilità ottica è di cruciale importanza per il tipo di esperimenti che si intende
svolgere, come detto nel seguito.
È già stato realizzato l'intrappolamento degli atomi nella prima MOT, il loro trasferimento
nella seconda camera e l'intrappolamento nella seconda MOT. È stato ideato e messo a
punto uno schema originale per il trasferimento degli atomi tra le due celle con una elevata
efficienza
(L.Cacciapuoti, A. Castrillo, M. de Angelis, and G.M. Tino, “A continuous
cold atomic beam from a magneto-optical trap”, Europ. Phys. J. D, in press).
Si è individuato l'ambito della ricerca da svolgere nello studio della manipolazione ottica di
atomi nello stato condensato. I motivi di interesse derivano dalla possibilità di confinare gli
atomi in diversi sottolivelli magnetici e di ottenere forme del potenziale di confinamento
259
- -
diverse da quelle consentite dalle trappole magnetiche. In particolare, le strutture
realizzabili mediante reticoli ottici, possono permettere di osservare effetti riconducibili
all'effetto Josephson. Ci siamo occupati dello sviluppo di schemi ottici per la generazione
di fasci laser cavi che permetteranno il confinamento degli atomi in regioni "buie"
mediante trappole "blu" (L. Cacciapuoti, M. de Angelis, G. Pierattini, and G.M. Tino,
“Single-beam optical bottle for cold atoms using a conical lens”, Europ. Phys. J. D, in
press). Si stanno anche studiando i metodi per ottenere strutture più complesse e cercando
di inviduare le migliori sorgenti laser da utilizzare per questi esperimenti.
Si sta lavorando al trasferimento degli atomi in una trappola magnetica e al problema
dell'imaging degli atomi. I passi successivi sono la messa in opera di una trappola
magnetica di nuova concezione e il raffreddamento evaporativo degli atomi fino alla
condensazione di Bose-Einstein.
È da notare che l'apparato è stato montato in un laboratorio provvisorio di dimensioni
estremamente ridotte che limita fortemente gli sviluppi possibili che richiederebbero un
maggior spazio e condizioni di lavoro migliori.
Componenti del gruppo partecipano anche ad un esperimento sulla condensazione di BoseEinstein in corso presso il Laboratorio Europeo LENS di Firenze.
The aim of this project is the development of new methods to achieve Bose-Einstein
condensation in dilute atomic vapours and to confine and manipulate the atoms by purely
optical schemes. Although the experiment in Napoli started about two years ago, it is
already rather advanced. A vacuum apparatus for a double-MOT (MOT: magneto-optical
trap) system has been constructed. Five home-made frequency-stabilized diode lasers
sufficient for two MOTs are already available. Operation of the first MOT has been
achieved and atoms have been transferred into the second MOT using a new transfer
method (L. Cacciapuoti, A. Castrillo, M. de Angelis, and G.M. Tino, “A continuous cold
atomic beam from a magneto-optical trap”, Europ. Phys. J. D, in press). A magnetic trap
has been designed and is presently under construction.
We also investigated new schemes for optical manipulation of ultracold atoms. We found a
configuration to produce a “dark” trap using blue detuned laser light and a conical lens to
realize a dark region were atoms are confined (L. Cacciapuoti, M. de Angelis, G. Pierattini,
and G.M. Tino, “Single-beam optical bottle for cold atoms using a conical lens”, Europ.
Phys. J. D, in press).
All the main parts needed to achieve BEC, are then already available or should be available
soon. The laboratory where the apparatus has been mounted is a temporary one. Because of
its small size, it is limiting possible developments.
The group components participate also to an experiment on Bose-Einstein condensation in
progress at the LENS laboratory in Firenze.
Pubblicazioni
1) C.Fort, M. Prevedelli, F. Minardi, F.S. Cataliotti, L. Ricci, G.M. Tino, and M.
Inguscio, Collective excitations of a 87 Rb Bose condensate in the Thomas-Fermi
regime, Europhysics Letters, 49, 8 (2000).
2) L.Cacciapuoti, G. Cennini, M. de Angelis, P. Maddaloni, M. prevedelli, L. Ricci, and
G.M. Tino, A blue-detuned optical trap for cold atoms, in “Squeezed States and
260
- -
Uncertainty Relations”, D. Han, Y.S. Kim, S. Solimeno eds., NASA/CP-2000-209899
(2000).
RICERCA DI VIOLAZIONI DELLA CONNESSIONE SPINSTATISTICA
M. de Angelis*, G. Gagliardi*, L. Gianfrani*, G.M. Tino
Attività 2000
Questa linea di ricerca riguarda lo studio di possibili violazioni della connessione spinstatistica e del postulato di simmetrizzazione della meccanica quantistica. I primi
esperimenti sono stati realizzati presso questo Dipartimento e hanno permesso di stabilire
per la prima volta un limite superiore ad una possibile violazione di tali simmetrie
fondamentali (M. de Angelis, G. Gagliardi, L. Gianfrani, and G. M. Tino, "Test of the
Symmetrization Postulate for Spin-0 Particles", Phys. Rev. Lett. vol. 76, 2840 (1996)). A
causa della mancanza di spazio legata al trasferimento a Monte S. Angelo del Dipartimento
questa attività di ricerca è stata interrotta. Tuttavia, ricercatori del gruppo hanno
collaborato ad un esperimento condotto presso il laboratorio Europeo LENS di Firenze,
che ha permesso di ottenere quello che è attualmente il valore più accurato per particelle a
spin intero (G. Modugno, M. Inguscio, and G.M. Tino, "Search for small violations of the
symmetrization postulate for spin-0 particles", Phys. Rev. Lett. vol. 81, 4790 (1998)).
I ricercatori del gruppo continuano tuttavia a collaborare attivamente con altri laboratori in
Italia e all'estero dove simili esperimenti sono stati avviati. Una possibilità che si sta
studiando è quella di effettuare esperimenti su sistemi che coinvolgono più particelle
identiche, sistemi in cui si può prevedere la presenza di simmetrie più complesse.
I componenti del gruppo di ricerca hanno fatto parte del comitato organizzatore della
Conferenza Internazionale "International Conference on Spin-Statistics Connection and
Commutation Relations: Experimental Tests and Theoretical Implications", Centro
Internazionale per la Cultura Scientifica dell’Università di Napoli, Anacapri, May 31-June
3, 2000 (Direttori: R. C. Hilborn, G.M. Tino). I proceedings della conferenza sono stati
raccolti in un libro pubblicato da American Institute of Physics (AIP).
We are investigating the possibility of violations of the spin-statistics connection and of the
symmetrization postulate of quantum mechanics. The first experiments performed
previously in this Department allowed for the first time to set an upper bound in the case of
integer-spin particles fondamentali (M. de Angelis, G. Gagliardi, L. Gianfrani, and G. M.
Tino, "Test of the Symmetrization Postulate for Spin-0 Particles", Phys. Rev. Lett. vol. 76,
2840 (1996)). These experiments were stopped in Napoli because of lack of resources and
laboratory space in the new building of Monte S. Angelo.
However, group components participated to an experiment performed at the LENS
laboratory in Firenze that allowed to establish what is now the most accurate value
available for integer-spin particles (G. Modugno, M. Inguscio, and G.M. Tino, "Search for
small violations of the symmetrization postulate for spin-0 particles", Phys. Rev. Lett. vol.
81, 4790 (1998)).
261
- -
Group components participate to related experiments in progress in other laboratories that
will allow to increase the detection sensitivity and to extend the test to different systems
including more particles.
The group participated in the organization of the international conference on "SpinStatistics Connection and Commutation Relations: Experimental Tests and Theoretical
Implications", Centro Internazionale per la Cultura Scientifica dell’Università di Napoli,
Anacapri, May 31-June 3, 2000 (Chairmen: R.C. Hilborn, G.M. Tino). The proceedings
were published by AIP.
Pubblicazioni
1) G.M. Tino, Precision tests of the spin-statistics connection and of the symmetrization
postulate of quantum mechanics for spin-0 nuclei, Fortschritte der Physik, 48, 537
(2000).
2) G.M. Tino, Testing the symmetrization postulate and the spin-statistics connection for
nuclei by molecular spectroscopy, in “Spin-Statistics Connection and Commutation
Relations: Experimental Tests and Theoretical Implications”, R.C. Hilborn and G.M.
Tino eds., American Institute of Physics, p. 260 (2000).
Libri scientifici
Spin-Statistics Connection and Commutation Relations: Experimental Tests and
Theoretical Implications, R.C. Hilborn and G.M. Tino eds., American Institute of Physics
(2000).
Spin-Statistics Connection and Commutation Relations: Experimental Tests and
Theoretical Implications, Centro Internazionale per la Cultura Scientifica dell’Università di
Napoli, Anacapri, May 31-June 3, 2000 (Chairmen: R.C. Hilborn, G.M. Tino).
TECNICHE DI SPETTROSCOPIA LASER ED APPLICAZIONE
ALLA FISICA DELL' ATMOSFERA
M. Armenante*, A. Boselli, N. Spinelli, R. Velotta, X. Wang
Attività 2000
È stata svolta l'attività relativa alla caratterizzazione su scala continentale delle proprietà
ottiche degli aerosoli atmosferici ed allo studio della loro influenza climatologica.
L’attività viene condotta all’interno del progetto europeo EARLINET. L'obiettivo è la
creazione di un bata 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 corso del 2000 l'attività ha riguardato: i) l'intercalibrazione degli apparati
sperimentali e degli algoritmi di inversione dei dati utilizzati dai 19 gruppi operanti
nell'ambito del progetto; ii) lo studio degli eventi di trasporto degli aerosoli di origine
262
- -
desertica; iii) il confronto fra le condizioni in zone urbane e rurali e l’influenza sulla
trasmissività atmosferica nella zona spettrale dell’UV.
Programma 2001
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 bata 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. Inoltre, mediante la telecamera citata nel punto a), l'apparato lidar già
esistente sarà attrezzato per l'analisi di scattering multiplo in atmosfera.
Our group takes part to the European project EARLINET whose aim is the characterization
on continental scale of the optical property of the atmospheric aerosoli and the study of
their climatologic infuence. The outcome is the creation of a bata base relative to the
optical property of the aerosoli, significant on continental scale and with a sufficiently
wide temporal scale to evidence their effects on the climate. In the course of the 2000 the
task has concerned: i) the intercomparison of the experimental apparatuses and the
algorithms for data analysis used by the 19 groups taking part to project; ii) the study of the
special events concerning the transport of the aerosoli of desert origin (Saharian dust); iii)
the comparison of aerosols measured in urban and rural areas and zones and their infuence
on the atmospheric trasmissivity in UV spectral zone.
2001 Program
Within European project EARLINET we will continue the activity of characterization of
optical properties of atmospheric aerosols on continental scale. Moreover, by means of an
intensified CCD camera the existing lidar system will be equipped for the analysis of
multiple scattering in atmosphere.
Pubblicazioni
1)
Amodeo, A. Boselli, L. Fiorani, G. Passeggio, R. Veletta, Innovative Telescope for 3-d Lidar
Measurements, J. of Optoel. and Adv. Mat., 2, 73 (2000).
2) P. Ambrico, A. Amodeo, P. Di Girolamo, N. Spinelli, Sensitivity analysis of differential absorption lidar
measurements in the mid-infrared region, Appl. Opt., 39, 6847 (2000).
3) Schneider, D. Balis, C. Bockmann, J. Bosenberg, B. Calpini, A. P. Chaikovsky, A. Comeron, P.
Flamant, V. Freudenthaler, A. Hagard, I. Mattis, V. Mitev, A. Papayannis, G. Pappalardo, J. Pelon, M.
R. Perrone, D. P. Resendes, N. Spinelli, T. Trickl, G. Vaughan, and G. Visconti, A European Aerosol
Research Lidar Network to Establish an Aerosol climatology (EARLINET), J. of Aer. Sci., 31, S592
(2000).
4) Amodeo, P. F. Ambrico, S. Amoruso, A. Boselli, M. Pandolfi, G. Pappalardo, N. Spinelli, R. Velotta,
Atmospheric monitoring by lidar in an industrial area of Southern Italy, Proc. SPIE, 4070, 38 (2000)
5) A.Boselli, P. F. Ambrico, A. Amodeo, P. Di Girolamo, G. Pappalardo, R. Velotta, Transmissivity
measurements for atmospheric characterizatio, Proc. SPIE, 4070, 66 (2000)
6) V.Cuomo, P. F. Ambrico, A. Amodeo, A. Boselli, P. Di Girolamo, V. Lanorte, M. Pandolfi, G.
Pappalardo, N. Pergola, C. Pietrapertosa, F. Romano, V. Tramutoli, N. Spinelli, Atmospheric water
vapour measurements using ground- and satellite-based instrumentation and radiosonde, Proc. SPIE,
4070, 73 (2000).
263
- -
1)
2)
3)
4)
5)
P. Di Girolamo, P. F. Ambrico, A. Amodeo, M. Pandolfi, G. Pappalardo, A. Boselli, Water vapour Lidar
Measurements by the Raman and DIAL techniques, 20° International Laser Radar Conference, 10-14
luglio 2000, Vichy (Francia).
P. F. Ambrico, A. Amodeo, P. Di Girolamo, N. Spinelli, Sensitivity analysis of IR DIAL measurements
for pollution monitoring, 20° International Laser Radar Conference, 10-14 luglio, 2000 Vichy (Francia).
M. Pandolfi, P. F. .Ambrico, A. Amodeo, A. Boselli, P. Di Girolamo, G. Pappalardo, N. Spinelli, Lidar
measurements of aerosol extinction and backscatter in the PBL, 20° International Laser Radar
Conference, 10-14 luglio 2000, Vichy (Francia).
V. Cuomo, P.F. Ambrico, A. Amodeo, A. Boselli, P. Di Girolamo, V. Lanorte, M. Pandolfi, G.
Pappalardo, N. Pergola, C. Pietrapertosa, F. Romano, V. Tramutoli, N. Spinelli, Ground based lidar,
radiosonde and satellite atmospheric water vapor measurement campaigns in southern italy,
International Radiation Symposium (IRS2000), 24 – 29 luglio 2000, San Pietroburgo (Russia).
P.F. Ambrico, A. Amodeo, A. Boselli, V. Cuomo, P. Di Girolamo, M. Pandolfi, G. Pappalardo, Aerosol
extinction and backscatter lidar measurements in the PBL, Conference on visibility, aerosols, and
atmospheric optics, Vienna, Austria, 11-15 September 2000, Volume Abstract 68.
PLASMI IN FISICA ATOMICA
S. Amoruso*, M. Armenante*, R. Bruzzese, N. Spinelli, R. Velotta, X. Wang*
Attività 2000
La diagnostica di plumi generati da laser nelle tipiche condizioni sperimentali che
caratterizzano la deposizione di film sottili è stata estesamente condotta attraverso l'analisi
della componente carica nel caso di solidi multicomponenti di recente interesse nel campo
della superconduttività (in particolare YNi2 B2 C). In particolare, sono stati ottenuti gli
spettri di massa degli ioni positivi e le loro distribuzioni di energia cinetica. Inoltre,
dall'analisi dei tempi di volo è stato possibile inferire una distribuzione spaziale degli ioni
caratterizzata dalla presenza delle specie più pesanti nel centro del plume e di quelle più
leggere (B, C) alle estremità spaziali del plume stesso.Nel 2000 è stata anche implementata
la diagnostica ottica del plume, che permette di ottenere informazioni risolte spazialmente
e temporalmente sull'evoluzione di specie diversa (neutri e carichi) presenti nel plume. Per
la calibrazione e la messa a punto dell'apparato sperimentale si è utilizzata la spettroscopia
ottica di emissione nel caso di un bersaglio metallico monocomponente (Al).
Si è anche studiata l'emissione di ioni da metalli irradiati con impulsi laser ultracorti (≈100
fs) ed ultraintensi. I risultati di maggior rilievo riguardano la presenza di una componente
non-termica negli spettri energetici degli ioni con energie fino a svariati keV, la cui resa
complessiva dipende fortemente sia dalla fluenza che dalla polarizzazione laser.
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
264
- -
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 dall'orientazione di quest'ultimo rispetto al campo elettrico della radiazione
fondamentale.
Programma 2001
Accanto alle tecniche di spettrometria di massa a tempo di volo, la diagnostica di plumi
generati da laser includerà tecniche di tipo ottico. In particolare, l'implementazione della
spettroscopia risolta in tempo, resa possibile dall'utilizzo di una telecamera intensificata a
CCD, permetterà di ottenere informazioni anche sulla dinamica delle specie neutre. Si
prevede di estendere tali esperimenti anche all'interazione laser-solido nel regime del
femtosecondo.
Proseguirà 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 extensively analysis of plumes produced by laser in experimental
conditions typical of the thin film deposition. The diagnostics of the charged component of
the plasma plume generated from solid targets made of materials of recent interest in
superconductivity (in particular YNi2 B2 C) has been considered. We have measured the
mass spectra of positive ions and their energy distributions. Moreover, from the analysis of
the times of flight it has been possible to infer a spatial distribution for ions characterized
by the presence of heavier species in the center of the plume and lighter species (B, C) to
the ends of the plume. In 2000 we have also implemented the optical diagnostic of the
plume which allows to obtain spatial as well as temporal resolved information on the
evolution of various species (neutral and charged) present in the plume. For the setting up
and the calibration of the apparatus we have studied the optical spectroscopy of a
monocomponent metallic target (Al).
Also the ion emission from metals irradiates with ultrashort and ultraintense pulse laser
(≈100 fs) has been studied. The most interesting result concerns the presence in the energy
spectra of a non-thermal component corresponding to energies up to several keVs. The
yield of such ions strongly depends both on the laser fluence and polarization.
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.
265
- -
2001 Program
Beside the time of flight mass spectrometry techniques, the diagnostics of laser produced
plumes will include optical spectroscopy. In particular, by means of an intensified CCD
camera we will implement time resolved spectroscopy, which in turn will provide
information also on neutral species dynamics. We are going to extend such experiments
also to the laser-solid interaction in the femtosecond regime.
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.
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
S. Amoruso, X. Wang, C. Altucci, C. de Lisio, M. Armenante, R. Bruzzese, R. Velotta, Thermal and
nonthermal ion emission during high-fluence femtosecond laser ablation of metallic targets, Appl. Phys.
Lett., 77, 3728 (2000).
S. Amoruso, M. Armenante, R. Bruzzese, N. Spinelli, R. Velotta, X. Wang, Response to “Comment on
'Emission of prompt electrons during excimer laser ablation of aluminum targets”, [Appl. Phys. Lett.,
76, 248 (2000)], Appl. Phys. Lett., 76, 249 (2000).
X. Wang, S. Amoruso, M. Armenante, R. Bruzzese, N. Spinelli, R. Velotta Charged species analysis in
YNi2B2C laser ablation by time-of-flight mass spectrometr, Appl. Surf. Sci., 168, 100 (2000).
S. Amoruso, M. Armenante, R. Bruzzese, N. Spinelli, R. Velotta, X. Wang, Charged-species
Characterization in Laser Ablation of Borocarbide Targets, Appl. Phtys. A. 71, 215 (2000)
S.Amoruso, M. Armenante, R. Bruzzese, M. Iavarone, N. Spinelli, R. Vaglio, R. Velotta, X. Wang,
Excimer laser ablation of borocarbide targets. Proc. SPIE, 4070, 234 (2000).
S.Amoruso, Theoretical modelling of the laser-solid-plasma interaction during UV laser ablation of
metallic targets, Proc. SPIE, 4070, 240 (2000)
S.Amoruso, M. Armenante, R. Bruzzese, R. Velotta, N. Spinelli, X. Wang, Prompt electron emission
characterization in UV laser ablation of metallic targets, Proc. SPIE, 4070, 246 (2000)
Capitoli di libri
S. Amoruso, R. Velotta, X. Wang Nanosecond laser ablation of metals. Res. Adv. in Appl. Phys. 1, 2000.
Global Research Network, India.
1)
X. Wang, S. Amoruso, M. Armenante, R. Bruzzese, N. Spinelli, R. Velotta Investigation of charged
species behaviours in YNi2 B2 C laser ablation
The European Material Conference, 30 maggio-2 giugno 2000 Strasburgo (Francia). Pag. D-20.
2) R. Velotta, N. Hay, Marta Castillejo and J. P. Marangos, High-order harmonic generation in molecules
aligned by a control field.
ILS-XVI 16th Interdisciplinary Laser Science Conference, Providence, Rhode Island, 22-27 October
2000.
Seminari scientifici tenuti da ricercatori in altre sedi universitarie.
R. Velotta, The influence of collective effects on electron impact ionisation and photoionisation experiments,
19 maggio 2000. Imperial College, London.
266
- -
SUPERCONDUTTIVITÀ
FISICA DI SUPERCONDUTTORI IN REGIME STAZIONARIO E
NON STAZIONARIO
A. Barone, L. Parlato*, G. Peluso, G. Pepe, A. Ruosi*, M. Valentino*
Attività 2000
Nel corso del 2000 è proseguito lo studio teorico e sperimentale dei superconduttori
convenzionali e non convenzionali in regime di non equilibrio. In particolare sono state
impiegate giunzioni tunnel Josephson di altissima qualità basate sulla tecnologia del niobio
nelle quali 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 nella
corrente di tunnel. Nel caso di giunzioni tunnel Josephson singole l'eccesso di quasi
particelle può essere realizzato irraggiando uno degli elettrodi o un assorbitore, costituito
da un film superconduttore posto a contatto con l'elettrodo., mediante raggi X o radiazione
ottica. L'irraggiamento mediante laser, inoltre, può indurre branch imbalance con
conseguente asimmetria tra le eccitazioni di tipo elettrone e quelle di tipo buca. Questo è
stato osservato, in collaborazione con l'Istituto Elettrotecnico Nazionale, misurando una
tensione di qualche diecina di microvolt tra gli elettrodi di una giunzione Josephson
polarizzata nello stato non dissipativo (V=0) e irraggiata mediante laser in continua. Per la
misura di correnti debolissime o di piccolissimi shift di tensione indotte nelle giunzioni da
processi di non equilibrio è stato acquisito un sistema, basato su SQUIDs della
CONDUCTUS, operante a temperatura criogenica. In questo contesto è stato progettato ed
è attualmente in fase di realizzazione un apparato sperimentale in grado di irraggiare una
singola giunzione di un campione inviando, mediante una fibra ottica, la luce proveniente
da una sorgente laser sul campione, mantenuto a temperatura criogenica.
Per quel che riguarda l'impiego di film superconduttori non convenzionali
è stato
intrapreso lo studio mediante un modello fenomenologico delle proprietà di alcuni
materiali quali nitruri, composti A15 e di alcune leghe superconduttive, in regime di non
equilibrio. Questo aspetto è di particolare rilevanza nell’ambito dell’applicazione di
giunzioni tunnel come sensori, dove la scelta sinora è stata limitata a pochissimi materiali
superconduttori (Nb, Al, Ta). Dal punto di vista della fabbricazione si è cominciato con la
realizzazione e caratterizzazione di film superconduttivi di materiali meno convenzionali
quali il TiN da utilizzare in futuro come elettrodo assorbitore della radiazione incidente
accoppiato ad una giunzione basata esclusivamente sulla tecnologia dell’Al o del Ti. Il TiN
presenta infatti rispetto al Nb un maggiore ( circa un ordine di grandezza) tempo di vita
media delle eccitazioni prodotte in regime di non equilibrio con una temperatura critica di
transizione confrontabile rispetto a quella del Nb e maggiore di circa un fattore 4 rispetto a
quella dell’Al, permettendo in tal modo temperature di lavoro e quindi tecniche
criogeniche non particolarmente spinte. Per la realizzazione dei film di TiN si è messo a
punto un sistema di deposizione di ultra-alto-vuoto che presenta l’impiego di un
riscaldatore ad irraggiamento durante la fase di deposizione del film in grado di
raggiungere temperature superiori agli 800 °C. I films di TiN realizzati su substrati di
zaffiro orientati r-plane presentano tutti un’ottima riproducibilità con temperature critiche
maggiori di 5.0 K.
267
- -
Infine sono stati realizzati nuovi dispositivi elettronici superconduttivi a tre terminali
costituiti da due giunzioni Josephson sovrapposte con elettrodo intermedio formato da un
bilayer Nb/Al. Una delle due giunzioni viene usata come iniettore di quasiparticelle
nell'elettrodo intermedio e l'altra come rivelatore della corrente in eccesso iniettata. A
T=4.2K e per bassi valori della corrente iniettata l'alluminio è superconduttore a causa
della prossimità mentre per iniezioni alte può diventare normale a causa della dissipazione
e/o del campo magnetico applicato. Nel primo caso sono stati misurati fattori di
amplificazione in corrente dell'ordine di 2 nel secondo caso sono stati raggiunti valori fino
a 50. Tali dispositivi possono essere utilizzati per stadi di preamplificazione criogenici di
piccoli segnali a basso rumore, a larga banda e a bassa potenza dissipata o essere
direttamente integrati al sensore
Per quanto riguarda le analisi non distruttive mediante tecniche elettromagnetiche e
magnetometri superconduttivi
sono state effettuate nuove misure
in campi
di
applicazione di particolare interesse industriale quali la rivelazione non a contatto di difetti
in strutture aeronautiche di carboresina; l'analisi non a contatto per monitorare il
funzionamento di singoli transistori in dispositivi di potenza per applicazioni nel campo dei
trasporti. Sono stati studiati mediante magnetometria SQUID i danneggiamenti da impatto
a bassa energia (<10 Joule) su materiali compositi in fibra di carbonio impiegati in
costruzioni aeronautiche. Difetti di delaminazione sono stati rilevati osservando la
superficie opposta a quella danneggiata in un campione di spessore 4 mm e costituito da
16 play Inoltre mediante misure non invasive di campo magnetico in moduli IGBT
(Insulated Gate Bipolar Transistor) di potenza sono stati rilevati sbilanciamenti di corrente
delle giunzioni di collettore all'interno dei cips causati da stress elettrici, meccanici o
termici. I risultati ottenuti mostrano che mediante questa tecnica è possibile misurare
sbilanciamenti di corrente con un'approssimazione migliore del 5%.
Programma 2001
Nel corso del 2001 proseguirà lo studio teorico e sperimentale dei superconduttori
convenzionali e convenzionali in regime di equilibrio. Nei dispositivi realizzati saranno
studiate le condizioni di non-equilibrio ottenute sia a seguito d’irraggiamento ottico,
stazionario e/o pulsato, sia mediante iniezione elettronica da parte di una seconda
giunzione tunnel in configurazione stacked. Lo studio della risposta di un materiale
superconduttivo a perturbazioni di tipo ottico, costituisce un formidabile ausilio d’indagine
nella comprensione dei meccanismi di scattering tra le varie eccitazioni elementari presenti
(quasi-particelle, fononi e Coppie di Cooper) e dei processi di rilassamento, che
intervengono in un superconduttore portato in condizioni di non-equilibrio. Il controllo sia
dell'energia sia della durata della perturbazione ottica dà la possibilità di discriminare nella
risposta osservata (variazione della corrente Josephson e della corrente di quasi-particelle)
il contributo legato direttamente allo stato di non-equilibrio da quello puramente termico.
A tal proposito l'impulso deve agire su di una scala temporale molto inferiore ai tempi
caratteristici dell'interazione elettone-fonone, che per la maggior parte dei materiali
superconduttivi è minore di 1 ns. Tale perturbazione ottica può indurre modificazioni
nell'elettrodinamica della giunzione Josephson e spingere il sistema in diversi stati di
equilibrio. Continuerà, a tal proposito, lo studio della commutazione tra lo stato a tensione
nulla e lo stato a tensione finita in una giunzione Josephson indotta da condizioni di non
equilibrio.
268
- -
Proseguirà l'attività orientata a realizzare e caratterizzare 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 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.
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.
Per quanto riguarda le analisi non distruttive mediante tecniche elettromagnetiche e
magnetometri superconduttivi saranno effettuate nuove misure in campi di applicazione
di particolare interesse industriale quali la rivelazione non a contatto di difetti in strutture
aeronautiche di carboresina. Sulla scorta dell'esperienza acquisita in questo campo ci
proponiamo di monitorare la propagazione dei difetti all'interno dei materiali. E' stato
osservato nelle precedenti misure che la pendenza del
modulo della risposta del
magnetometro SQUID segue un andamento quasi lineare in due diversi range di energia
dell'impatto per cui possiamo usare questo parametro per valutare sia il tipo di danno che la
sua entità. Dal confronto tra queste misure e le curve carico-spostamento possiamo
correlare la risposta magnetica ai diversi tipi di danno. Inoltre siccome già ad energie
d'impatto di circa 1 J è presente delaminazione o rottura della matrice osservabile
studieremo le caratteristiche dei danneggiamenti a basse energie cercando le correlazioni
con le proprietà meccaniche e le caratteristiche microscopiche del materiale. Queste analisi
verranno effettuate usando magnetometri HTS SQUID in opportune configurazioni per
ottimizzare il rapporto segnale-rumore ed ottenere risoluzioni spaziali submillimetriche.
During 2000 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 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 tunneling 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 electrode or of
the absorber. The laser irradiation could be induce branch imbalance and as a consequence
an asymmetry in quasi-electrons and quasi-holes distribution. This effect was observed in
collaboration with the Istituto Elettrotecnico Nazionale measuring a voltage of about ten
microvolts between the electrodes of the Josephson junction biased at V=0 (non dissipative
state). For the measurements of very low currents and voltage shifts in non-equilibrium
269
- -
regime a system based on SQUIDs of Conductus working at low temperature was installed.
In this context a suitable insert working at low temperature provided with an optical fiber
with alignment position with the sample was designed and will be realized in the next
future.
Concerning non conventional materials
theoretical study was devoted in order to
investigate the superconducting properties in non equilibrium regime of some materials as
nitrides, A15 compounds and some superconducting alloys. This aspect is very crucial for
the application of STJ as radiation detectors, where the choice is up to now limited to a few
superconductors (Nb, Al, Ta). Experimental work was also devoted to realize and
characterize TiN films to be employed as radiation absorber in STJ detectors based on the
Al and/ or Ti technology. These films have a higher lifetime of the quasiparticles with
respect the Nb and a critical temperature, comparable with the Nb and about a factor 4
higher than of the Al, allowing standard cryogenic facilities For the realization of the TiN
films we used a UHV deposition chamber where is located an heater able to reach
temperature over to 800°C during the deposition. The films realized on r-plane sapphire
substrate show a good reproducibility with a critical temperature higher than 5.0 K.
Finally three-terminal superconducting devices consisting of two stacked junctions with
Nb/Al intermediate electrode have been realized. One junction acts as quasiparticles
injector into intermediate electrode and the other as detector of the quasiparticles excess
produced. At T=4.2 K and at low current injection the Al is in superconducting regime due
to the proximity effect while at high injection and in the presence of magnetic field it could
be normal. Current gains of 2 and 50 were measured in superconducting and normal
regime respectively. Three-terminal devices could be employed as cryogenic preamplifiers of low signals at low noise, large bandwidth and a low power dissipation.
Moreover they could be integrated directly to the sensors.
Different aspects on NDE, from tests on flawed Al-alloy, to the investigation of non
destructive magnetometry in new fields of application such as damaged N-ply fibercomposite structures, commonly encountered in the aircraft industry, and Insulated Gate
Bipolar Transistor (IGBT) power modules used in the train motors have been considered.
Magnetic analysis by using SQUID magnetometer on reinforced carbon fibber composite
have demonstrated the possibility to detect delamination defects due to low energy ( ≤10
Joule) impacts on the reverse side of the damaged surface of 4 mm thick 16-ply reinforced
carbon fibber plates. Moreover, by non-invasive measurements of magnetic fields above
IGBT power modules a clear signature of uneven current distribution among the chips,
caused by electrical, thermal and/or mechanical over-stresses inside the module, has been
obtained. The experimental results show the capability of this technique to measure
unbalanced current between chips better then 5%.
2001 Program
During 2001 further theoretical and experimental investigations will be devoted to
conventional and non-conventional superconducting materials in non equilibrium regime.
The realized devices will be driven in non- equilibrium state either by optical irradiation, in
both pulsed and stationary conditions, or injection using a second junction in stacked
configuration. The investigation of a superconductor under optical irradiation is a powerful
tool in order to study scattering mechanisms between excitations (quasi-particles, phonons
and Cooper pairs) and/or relaxation process in non equilibrium regime. Using laser pulses
of different energy and time characteristics is possible discriminate the non equilibrium
270
- -
effects from the heating effects investigating the response of Josephson current, the gap
parameter ∆, the quasi-particle tunneling current. Indeed it is crucial that characteristic
time of laser be lower than characteristic time of electron-phonon scattering that is τ0 ≤1 ns
for the most superconductors. An optical perturbation faster than the characteristic
frequencies could affect the vortex dynamics in the Josephson junction and push the
system in different non-equilibrium states.
The research activity of the group will be also
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 be 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 like
sensors and like cryogenic pre-amplifiers of little signals at low noise and at low power
dissipated with the possibility to be integrated with conventional detectors. Concerning the
three-terminal devices formed of 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 a bilayer of
two different metals, which one of them is a superconductor, like intermediate electrode
will be fabricated and measured. The electronic characteristics of the devices will be
investigated as function of the choice of the materials employed for the intermediate
electrode, the relative thickness and the transmission factor at the interface.
We will perform NDE SQUID based measurements on composite material for aeronautical
applications. Based on the previous experience in the field, our goal will be the monitoring
of defect propagation inside the material. We have demonstrated that the slope of the
module of the SQUID response increases with the energy of the impact following a quasilinear behavior for two different ranges of energy. This parameter turns to be a good gauge
of the severity and of the type of damage in the material. By comparison between these
measurements and the load-displacement curves, we will relate the different SQUID
response to the intrinsically different damage. Moreover since the initiation of a discernible
delamination or matrix crack occurs already at impact energy of about 1J, we will study the
characteristics of the low energy impact damage and the correlation with mechanical and
microscopic properties. For this the analysis will be performed by using different HTS
SQUID magnetometer to obtain a optimization of the signal/noise ratio and a spatial
resolution better than 1mm.
Pubblicazioni
1)
2)
3)
4)
G.P.Pepe, L.Parlato, G. Ammendola,, G.. Peluso, A. .Barone, R. Monaco, E. Esposito, N. Booth, A new
superconducting devices with transistor-like properties including large current amplification, Appl.
Phys. Lett, 77, 447 (2000)
G.P.Pepe, L.Parlato, G. Ammendola,, G. Grieco, G. Peluso, A. .Barone, E. Esposito, N. Boot, Nonequilibrium inJjosephson junctions:possible transistor-like applications, International Journal of Modern
Physics 3038 2000)
Tafuri, F. Carillo, F. Lombardi, F. Miletto Granozio, F. Ricci, U. Scotti di Uccio, A. Barone, G. Testa,
E. Sarnelli and J.R. Kirtley, Feasibility of biepitaxialYBCO Josephson junctions for fundamental studies
and potential circuit implementation, Phys. Rev. B, 62, 14431 (2000)
Carotenuto G., Nicolais L., Pepe Gianpiero, Lanotte Luciano, Ausanio G., Barone Antonio, Lowtemperature anomalous magnetic properties of mu-sized Ag/hdpe composites, Journal of Materials
Science Letters, 19, 425-(2000)
271
- -
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
12)
13)
14)
15)
16)
M. Lisintski, R. Cristiano, E. Esposito, L. Frunzio, S. Pagano,C. Nappi, A. Barone, G. Ammendola, L.
Parlato, G. Peluso, G. Pepe, V. N. Gubankov, D.V. Balashov, AnnularJjosephson junctions for radiation
detection: fabrication and investigation of the magnetic behaviour, Nucl. Instr. & Meth., A444, 476
(2000)
R. Cristiano, E. Esposito, L. Frunzio, S. Pagano,C. Nappi, A. Barone, G. Ammendola, L. Parlato, G.
Peluso, G. Pepe, H. Krauss P. Valko, M. Lisintski, Quasiparticle diffusion and edge losses in
superconducting tunnel junction detectors with two active electrodes, Nucl. Instr. & Meth., A444, 15
(2000)
Carotenuto G., Pepe G:P:, Nicolais L, Preparation and characterization of nano-sized Ag/pvp
composites for optical applications, Eur. Phys. J. B, 16, 11 (2000)
Carotenuto G., Pepe G:P:, L. Parlato, Nicolais L., Study of nano-sized metallic cluster dispersed into a
polymeric matrix, Meterials engineering, 11, 261 (2000)
Ruosi, M. Valentino, G. Pepe, V. Monheburrun, D. Lesselier, B. Duchene, High Tc squids and eddy
current NDE: a comprehensive investigation from real data to modeling, Meas. Sci. Technol. 11, 1639
(2000)
M. Valentino, A. Ruosi, G. Pepe, G. Peluso, Superconductive and traditional electromagnetic probes in
eddy-current nondestructive testing of conductive materials., published in “Applied Superconductivity
1999”, IOP Publishing No 167, 505 (2000)
E. Esposito, R. Cristiano, L. Frunzio, S. Pagano,C. Nappi, M. Lisintski, G. Ammendola, L. Parlato, G.
Peluso, G. Pepe, H. Krauss, P. Valko, and A. Barone, Influence of the junction edge losses on the
spectral responce of superconducting tunnel junction detectors, published in “Applied
Superconductivity 1999” IOP Publishing No 167, 505 (2000)
G. Ammendola, A. Barone, L. Parlato, G. Peluso, G.P.Pepe, R. Cristiano, E. Esposito, L. Frunzio, M.P.
Lisitskii, C. Nappi and S.Pagano Some aspects of superconductive junction radiation detectors,
MSM99, 645-652 World Scientific (2000)
R. Cristiano, M.P. Lisitskii, C. Nappi, A. Barone; Fiske resonances in annularJosephson junction, Phys.
Rev. B 62, pp. 8683-8686 (2000)
A.Barone. Radiation interaction with matter in the superconductive state-some achievements and
trends”, Journal of Superconductivity, 13, 809-(2000)
A.Barone, TheJjosephson effect as a probe of macroscopic quantum phenomena, MSM-99, pp. 619632, World Scientific (2000)
A.Barone. Weakly coupled macroscopic quantum systems: likeness with difference, Chapter 20, pp. 301320, Kluwer Academy Publ. (2000)
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
F.Tafuri, F. Carillo, F. Lombardi, F. Miletto Granozio, F. Ricci, U. Scotti di Uccio, A. Barone,
G.Testa, E. Sarnelli and J.R. Kirtley,Biepitaxial YBA2CU3O7-X grain boundary Josephson
junctions: 0-and π-rings for fundamental studies and potential circuit implementation, Plenum Press
(2000)
G.P.Pepe, L. Parlato, G. Ammendola, N. Booth; E. Esposito, R. Cristiano, G.Peluso; and A. Barone,
A new superconducting device with transistor-like properties including large current amplification,
(invited), IV European Workshop on Low Temperature Electronic WOLTE IV Noordwijk Holland
2000
Ruosi, M. Valentino, G. Pepe, G., Analysis of low-velocity impact damages in reinforced carbon fiber
composites by HTS-squid magnetometers, Applied Superconductivity Conference, Virginia Beach- USA
September 2000
G.P. Pepe, L. Parlato, G.Ammemdola, E. Esposito, G. Peluso, A. Barone and N. P. Booth, A new
superconducting device with transistor-like properties; (invited), Applied Superconductivity Conference,
Virginia Beach- USA September 2000
M.Valentino, A. Ruosi, G. Busatto, Magnetic field imaging of current distributions in IGBT power modules,
E’ NDE International Workshop on Electromagnetic Non-Destructive Evaluation», June 26-30 Giugno
2000, Budapest, Ungheria
A.Barone, Close encounters in macroscopic quantum phenomena, (invited) Int. Conf. “One
hundred years of h”, September 14-16 (2000)
A.Barone, Photosensitivity and Josephson effect in “Induced Cooperative Phenomena” (invited),
Berkeley 24-28 June (2000)
272
- -
A.Barone, On the impact of the Josephson effect in fundamental physics: applications and implications,
LXXXVI Congresso Nazionale SIF (Relazione Plenaria) Palermo (Ottobre 2000)
Scuole internazionali
A.Barone, Josephson effect and macroscopic quantum phenomena, Int. School of Quantum Electronics,
27th course BEC and atom lasers, Erice 19-24 Ottobre (1999)
Coordinamento di progetti nazionali
Antonio Barone coordina un progetto INFM-PAIS e un progetto INFM Progetto- Sud
Antonio Barone è membro del Steering Committee of the U.E. Network of Excellence SCENET;
Antonio Barpne è presidente del Consiglio Scientifico dell'Istituto di Cibernetica (CNR).
Antonio Barone è Direttore della Sezione D (Metalli, Magnetismo e Superconductività) dell'Istituto
Nazionale Fisica della Materia (INFM).
Antonio Barone è membro del Board of Editors delle seguenti riviste internazionali:
- Journal of Superconductivity,
- European Physical Journal B,
- Fizika Nizkikh Temperatur.
SUPERCONDUTTIVITÀ IN SISTEMI METALLICI
NON CONVENZIONALI
A.Andreone, C.Aruta*, A.Cassinese*, R.Di Capua, M.Iavarone*, M.Salluzzo*, R.Vaglio
Attività 2000
Nel 2000 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 stato ultimato lo studio sul composto ZrN. I risultati hanno dimostrato in
modo inequivocabile la natura BCS s-wave della superconduttività . La resistività nello
stato normale tuttavia non ha mostrato saturazione ad alte temperature, in contrasto con
quanto previsto dal semplice modello di Joffe-Reagle.
Per i composti RE-Ni2B2C la ricerca è stata finalizzata alla realizzazione ed alla
approfondita caratterizzazione strutturale di film sottili con Re=Lu, Sono state effettuate
nuove misure di elevatissima qualità della lunghezza di penetrazione magnetica con
tecniche a microonde e sono state analizzate alla luce delle teorie correnti.
Sono inoltre realizzati e caratterizzati con tecniche avanzate, film sottili del composto
Re(NdBa)2 Cu3 O7 con Re= Y,Nd e state effettuate misure delle proprietà superconduttive in
radio-frequenza . Sugli stessi composti sono state realizzate, in collaborazione con
273
- -
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 YBa2 Cu3 O7 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.
Nel 2000 è stato inoltre ultimato, con l’effettuazione dei test finali di un prototipo di
ricevitore per telefonia cellulare, il Progetto Sud SUPERTEL.
Programma 2001
Nel 2001 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 affrontato in modo sistematico 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 le proprietà a microonde, per
chiarire da un lato la "natura" dello stato superconduttivo, dall' altro le potenzialità
applicative del materiale.
Proseguirà inoltre lo studio dei film sottili del composto Re(NdBa)2 Cu3 O7 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.
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" ed inizierà un'attività di studio progettazione e realizzazione di antenne.
Verrà infine effettuato uno studio esplorativo sulla così detta “Spintronix” il cui scopo è lo
studio e la realizzazione di dispositivi elettronici in cui lo spin (momento magnetico
intrinseco) dell’elettrone gioca un ruolo determinante nel determinare le proprietà
funzionali dei dispositivi stessi. In particolare la ricerca sarà orientata alla realizzazione di
giunzioni tunnel magnetiche
che possono funzionare da “valvole di spin”
e che
presentano grande interesse per applicazioni in memorie non volatili ad accesso random.
In tali dispositivi è essenziale conoscere la polarizzazione di spin degli elettrodi. Tale
misura può essere effettuata utilizzando giunzioni in cui uno degli elettrodi sia un
superconduttore a basso numero atomico Z. L’applicazione di un elevato campo magnetico
produce un effetto di “splitting” in energia,tipo Zeeman, della popolazione di elettronica
con diverse orientazioni di spin in S, e da misure della caratteristica corrente/tensione del
dispositivo è possibile dedurre P in modo diretto.
274
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The activities carried out in the year 2000 centred 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 ZrN compound was completed and the results unequivocally
showed the superconductivity nature of the BCS s-wave. However, the resistivity in the
normal state did not show any saturation effects at high temperature, thus conflicting with
the predictions of the simple Joffe-Reagle model.
Research into RE-Ni2B2C compounds was aimed at producing and achieving a thorough
structural characterization of thin films with Re=Lu. Using microwave techniques, new,
very high quality, measurements of the magnetic penetration length were obtained, which
were then analyzed in the light of current theories.
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 tunnel-effect 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.
During 2000, the SUPERTEL Progetto Sud was also completed, including the final testing
phase of a cellular phone receiver prototype.
2001 Program
Activities scheduled for 2001 will centre around the study of structural and transport
properties in non-conventional 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, in-depth systematic studies will be performed 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 and microwave properties, in order to clarify the ‘naturé 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 radio-frequency will be taken and the STM technique will be
employed to measure tunnel-effect spectroscopy on these compounds. The results will be
275
- -
analyzed in terms of theoretical models for scattering by impurities in the context of the dwave model.
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 work will commence on the study, design, and construction of
antennas.
Lastly, a preliminary study will be carried out on the so-called ‘Spintronix’, which aims to
study and construct electronic devices wherein the spin (intrinsic magnetic moment) of the
electron plays a fundamental role in the determination of the operating properties of the
devices themselves. In particular, the research work will be geared towards devising
magnetic tunnel junctions which can work like spin valves and prove highly interesting
due to their possible application in non-volatile and random-access memories. It is
essential to know the spin polarization of the electrodes in such devices. This measurement
can be performed using junctions in which one of the electrodes is a superconductor with a
low atomic number Z. The application of a strong magnetic field creates a splitting effect
(a Zeeman-like effect) in the energy of the electronic populations with different spin
orientations in S. Measurements of the current/voltage characteristic function of the device
allow P to be deduced in a direct way.
Pubblicazioni
1)
Palomba Francesco, Andreone Antonello, Pica Giulia, Salluzzo Marco, Attanasio Carmine, Di Luccio
Tiziana, Maritato Luigi, Russo Roberto, Surface impedance measurements of Nb/(Cu-Mn) artificial
multilayers, Physica B, 284, 955 (2000)
2) Andreone Antonello, Palomba Francesco, Pica Giulia, Salluzzo Marco, Cosentino Giada,, Panariello
Gaetano, Potential of superconducting films and filters for wireless applications, Philosophical
Magazine B, 80, 957 (2000)
3) Salluzzo Marco, Palomba Francesco, Pica Giulia, Andreone Antonello, Maggio-aprile I., Fischer, O.,
Cantoni C., Norton D., Role of Nd/Ba disorder on the penetration depth of Nd1+xBa2-xCu3O7-delta
thin films, Physical Review Letters, 85, 1116 (2000)
4) Monaco Roberto, Andreone Antonello, Palomba Francesco, Intermodulation measurements in Nb
superconducting microstrip resonators, Journal Of Applied Physics, 88, 2898 (2000)
5) Iavarone Maria, Andreone Antonello, Orgiani P., Pica Giulia, Salluzzo Marco, Vaglio Ruggero,, Kulyk
I., Palmieri V., A simple and reliable system for in situ deposition of large-area double-sided,
superconducting films, Superconductor Science And Technology, 13, 1441 (2000)
6) Andreone Antonello, Cassinese Antonio, Iavarone Maria, Orgiani P., Palomba Francesco, Pica Giulia,
Salluzzo Marco, Vaglio Ruggero, Oliviero C.., Panariello Gaetano, Monaco Roberto,Guidarelli Mattioli
A.., Cieri S.., Matrone A.., Petrillo E.., Forward Coupled High Temperature Superconducting Filters for
DCS1800 Mobile Phone Base, Stations, Institute Of Physics Conference Series 167 351 (2000)
7) Cassinese Antonio, Andreone Antonello, Orgiani P., Palomba Francesco, Pica Giulia, Vaglio Ruggero,
Panariello Gaetano, Schettino F., Cirillo Matteo, Russo Roberto, High power handling superconducting
planar filters for telecommunication applications, International Journal Of Modern Physics B, 14, 3092
(2000)
8) Grassano Giuseppe, Cimberle Maria Roberta, Marré Daniele, Pallecchi Ilaria, Putti Marina, Ramadan
W., Siri Antonio, Ferdeghini Carlo, Andreone Antonello, Cassinese Antonio, Di Capua R., Gianni L.,
Iavarone Maria, Miletto F., Ricci Francesco Paolo, Scotti Di Uccio Umb erto, Vaglio Ruggero, Canepa
Fabio, Superconducting properties of LuNi2B2C thin films, International Journal Of Modern Physics B,
14, 2743 (2000)
9) Salluzzo Marco, Andreone Antonello, Cassinese Antonio, Iavarone Maria, Maglione M., Palomba
Francesco, Pica Giulia, Vaglio Ruggero, On the role of Nd/Ba disorder on the superconducting
properties of Re-1(NdxBa2-x)Cu3O7-delta (Re= Nd, Y) thin films, International Journal Of Modern
Physics B, 14, 2737 (2000)
10) Pica Giulia, Andreone Antonello, Palomba Francesco, Salluzzo Marco, Vaglio Ruggero, Malandrino
Graziella, Ancarani V., Fragalà Ignazio, Cassinese Antonio, Muller G., Synthesis and microwave
276
- -
11)
12)
13)
14)
15)
16)
17)
properties of Tl2Ba2CaCu2O8 superconducting films grown by MOCVD, European Physical Journal B,
18, 405 (2000)
Cassinese Antonio, Iavarone Maria, Vaglio Ruggero, Grimsditch M., Uran S., Transport properties of
ZrN superconducting films, Physical Review B, 62, 13915 (2000)
Grassano Giuseppe, Cimberle Maria Roberta, Ferdeghini Carlo, Iavarone Maria, Di Capua R.,Vaglio
Ruggero, Canepa Fabio, Superconducting properties of LuNi2B2C films and junctions, Physica C, 341,
757 (2000)
Cassinese Antonio, Palomba Francesco, Pica Giulia, Andreone Antonello, Panariello Gaetano, Dual
mode cross-slotted filters realized with superconducting films, Applied Physics Letters, 77, 4407 (2000)
Andreone Antonello, Boffa Maria Antonietta, Cucolo Anna Maria, Cucolo Maria Cristina,Cassinese
Antonio, Monaco Roberto, Palomba Francesco, Pica Giulia, Microwave intermodulation study of
YBa2Cu3O7-delta films in the presence of an external d.c.magnetic field, Physica C, 341, 2687 (2000)
Malandrino Graziella, Borzì Annamaria, Perdicaro L., Fragalà Ignazio, Andreone Antonello, Cassinese
Antonio, Palomba Francesco, Pica Giulia, Properties of single- and double-sided In2Ba2CaCu2O8 films
grown by MOCVD and their potential applications to microwave devices, Physica C, 341, 2677 (2000)
Miletto Granozio Fabio, Salluzzo Marco, Scotti Di Uccio Umberto, Maggio-aprile I., Fischer O,
.Competition between alpha-axis and c-axis growth in superconducting RBa2Cu3O7 -x thin films,
Physical Review B, 61, 756 (2000)
Salluzzo Marco, Miletto Granozio Fabio, Scotti Di Uccio Umberto, Aprile I., Fischer O., Aruta Carmela,
A study of the growth mode of Re1+xBa2-xCu3O7-delta (Re = Nd, Y, Sm) epitaxial films deposited by
physical vapour deposition., Physica C, 341, 2361 (2000)
Comunicazioni a congressi internazionali:
1)
2)
M.Iavarone, A. Andreone, A. Cassinese, R. Di Capua, L. Gianni, R. Vaglio, Y. De Wilde, and G. W.
Crabtree, Borocarbide thin films and tunnelling measurements,, Proceedings of the NATO ASI
Workshop, Dresda, Germany
A.Andreone, A. Cassinese, M. Iavarone, P. Orgiani, F. Palomba, G. Pica, M. Salluzzo, and R. Vaglio,
Development of L-band and C-band superconducting planar filters for wireless systems, (su invito),
Proocedings of the Asian Pacific Microwave Conference, Sidney, Australia, December 2000
4) R. Vaglio è direttore dell'Unità di Napoli dell' Istituto Nazionale per la Fisica della
Materia
5) R. Vaglio è membro del Consiglio Direttivo INFM..
c)
d)
-
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 membro della Giunta Esecutiva INFM
A. Androne e R. Vaglio sono chairmen del VI International Symposium “High temperature
Superconductors in High Frequency Fields”, Capri 24-28 maggio 2000
FILM SOTTILI EPITASSIALI E DISPOSITIVI BASATI SU
SUPERCONDUTTORI AD ALTA Tc E SU ALTRI OSSIDI DI
METALLICI DI TRANSIZIONE
F. Lombardi, F. Miletto Granozio * , U. Scotti di Uccio, F. Ricci, F. Carrillo, F. Tafuri*
Attività 2000
Nell’anno 2000 l'attività di ricerca del gruppo è stata centrata sui seguenti principali aspetti
tematici:
277
- -
1) Crescita di film sottili epitassiali e studio delle proprietà fisiche di ossidi con struttura
perovskitica, con particolare attenzione ai superconduttori ad alta temperatura critica e
a perovskiti dielettriche e metalliche.
2) Studio dell’effetto Josephson in giunzioni ad alta Tc a bordo di grano artificiale.
- Film epitassiali
Il gruppo di ricerca si occupa da anni di deposizione di film epitassiali di superconduttori
ceramici ad alta temperatura critica (in particolare, YBCO) con la tecnica dello sputtering.
L’attività di ricerca sviluppata quest’anno è stata centrata sullo studio della crescita di film
su buffer layer non convenzionali (come MgO (110), CeO2 (110), etc.) allo scopo di
caratterizzare le particolari proprietà strutturali dei campioni.
Si sono inoltre svolti due esperimenti di caratterizzazione strutturale di film di NdBCO in
luce di sincrotrone, presso i laboratori dell’ESRF di Grenoble. Scopo degli esperimenti è lo
studio dettagliato della struttura e della ricostruzione superficiale e delle sostituzioni
atomiche in film epitassiali di ReBCO. A tale scopo sono state raccolti dati relativi a
diverse centinaia di riflessioni del reticolo del NdBCO nella configurazione di misura con
fascio a incidenza radente e sono stati acquisiti spettri di assorbimento (EXAFS-XANES)
in funzione della temperatura. L’analisi dei dati e l’elaborazione del modello strutturale per
la descrizione del materiale in esame sono ancora in corso. Si tratta, a nostra conoscenza,
del primo tentativo di indagine strutturale così approfondito svolto su film epitassiali di
REBCO.
A questi temi si è aggiunta una nuova linea di ricerca, rivolta allo studio delle proprietà
fisiche fondamentali di film epitassiali di perovskiti semplici. Sono stati considerati,
durante questo anno, materiali dielettrici (SrTiO 3 e BaSrTiO 3 ) e conduttori metallici
(CaRuO 3 , SrRuO 3 ). In questo contesto, l’attenzione è stata concentrata sulla definizione
delle condizioni di crescita (sputtering rf) dei film, e sullo studio delle proprietà strutturali.
La capacità di crescere film epitassiali di elevata qualità è stata confermata in questo
specifico contesto. Lo studio delle proprietà strutturali (mappatura del reticolo reciproco
con tecniche di diffrazione X) è stato posto in relazione alle condizioni di deposizione, al
fine di caratterizzare le peculiarità della dinamica di crescita dei materiali considerati. In
secondo luogo, ha avuto inizio la caratterizzazione delle proprietà elettroniche dei
composti, con misure di trasporto elettrico in dc, e con misure di riflettometria ottica nel
range 27µm - 198nm.
- Giunzioni Josephson
Il gruppo di ricerca ha progettato e realizzato, in epoca precedente, un originale prototipo
di giunzione Josephson a bordo di grano artificiale basata sulla tecnica biepitassiale. In
sintesi, esse sono basate sull'accoppiamento di tipo Josephson che si determina tra due
grani di YBCO con orientazione cristallografica diversa. Tale differenza di orientazione è
ottenuta grazie alla crescita epitassiale del film su due regioni adiacenti del substrato, di cui
una coperta da un opportuno buffer layer.
Durante quest’anno, parte dell’attività è stata rivolta al miglioramento della riproducibilità
dei dispositivi. Si è avviata a questo scopo un’attività di ricerca approfondita, riguardante i
materiali impiegati, le tecniche di deposizione e le procedure di fotolitografia impiegate,
atto a verificare l’effettiva possibilità di impiego delle giunzioni biepitassiali in dispositivi
complessi. Per quanto riguarda i materiali, sono stati in particolare considerati buffer layer
di MgO, STO e CeO 2 . Sono state sviluppate le tecniche di etching dei materiali sopra citati,
ricorrendo a nuove configurazioni di mascheratura con fotoresist, e mettendo a punto i
278
- -
parametri del processo di Ion Milling. Il processo di etching dell’YBCO è stato
sensibilmente migliorato, introducendo uno speciale trattamento termico dei campioni.
Un ulteriore problema di riproducibilità è legato alla formazione di precipitati di
Y2 BaCuO 5 , in particolare nella regione del bordo di grano. Tale fase, piuttosto inconsueta
nei film cresciuti con tecniche in situ, nuclea a causa di una particolare relazione di
epitassialità che si determina con l’MgO (110), presente come buffer layer nei dispositivi.
Sono state individuate alcune possibili strategie per la soluzione del problema, che saranno
perseguite nel prossimo futuro. Tra queste, il ricorso a target non stechiometrici di YBCO
durante la deposizione dei film.
Dal punto di vista della fisica fondamentale, l’attività è stata legata allo studio di diversi
dettagli relativi alla natura della superconduttività nell’YBCO, e in particolare a problemi
legati alla simmetria della funzione d’onda superconduttiva. Le giunzioni a bordo di grano
sviluppate dal nostro laboratorio risultano particolarmente adatte ad affrontare questo
genere di studio.
Programma 2001
L’attività prevista per l’anno 2001 è centrata sullo sviluppo scientifico delle linee
tradizionali di ricerca del gruppo.
E’ previsto lo sviluppo di due nuovi sistemi di deposizione: a) un sistema di sputtering, in
via di completamento, dedicato alla fabbricazione di giunzioni Josephson; b) un sistema di
laser ablation, dedicato alla fabbricazione di film di ossidi perovskitici, in fase di
progettazione. Il sistema di laser ablation sarà completato e gestito in collaborazione con
alcune componenti del gruppo di ottica del dipartimento.
Il rafforzamento delle strutture sperimentali dedicate alla fabbricazione di film con
caratteristiche simili a quelle dei singoli cristalli è un punto fondamentale per la strategia
della futura attività del gruppo. La fabbricazione di campioni I elevata qualità permette
infatti di indagare sulle proprietà fisiche fondamentali dei materiali. Oltre le tradizionali
tecniche di caratterizzazione superconduttiva, sarà oggetto dell’attività scientifica del 2001
il progetto di un apparato sperimentale per l’analisi delle proprietà ottiche di film sottili
anche in ambiente criogenico. Anche questa attività sarà svolta in collaborazione con
componenti del gruppo di ottica del dipartimento.
Per quanto riguarda l’attività di ricerca sulle giunzioni Josephson, è previsto un notevole
miglioramento della linea di fabbricazione dovuto all’introduzione del nuovo sistema di
deposizione e al completamento della ristrutturazione del laboratorio di fotolitografia.
Saranno presi in considerazione bordi di grano artificiali cresciuti su buffer layer di CeO2 .
Questo materiale permette inconsueti allineamenti cristallografici, di notevole importanza
nello sviluppo di giunzioni Josephson di tipo π, e di dispositivi basati sull’impiego di tali
giunzioni.
In year 2000, the research activity of our group has been centered on the following themes.
1) Growth of epitaxial oxide thin film and analysis of their physical properties. In
particular, our attention has been devoted to superconducting cuprates, and to metallic
and dielectric perovskites.
279
- -
2) Analysis of Josephson effect in high critical temperature (HTc) grain boundary
Josephson junctions.
- Epitaxial thin films
Our group is engaged since many years in the sputtering deposition of epitaxial thin films
of HTc superconducting oxides (in particular YBCO).
The research activity developed in the course of year 2000 has been focused on the
analyses of YBCO growth on non convention buffer layers (as (110) oriented MgO and
CeO 2 ), and on the characterization of the structural properties of the samples.
Furthermore, two experiments on the structural properties of NBCO
(Nd1+x Ba2x Cu3 O ? ? ), based on the use of synchrotron light, have been held at ESRF Grenoble. The
two experiments were respectively aimed to the analyses of surface reconstructions and
cationic substitution in epitaxial thin films of the REBCO family (RE being Y or a rare
earth). Data regarding hundreds of diffraction peaks have been collected in grazing
incidence configuration for analyzing surface reconstruction, while absorption spectra
(EXAFS, XANES) have been collected also as a function of temperature in order to
analyze the atomic environments of single atomic species. Data interpretation is currently
in progress.
A new research branch is given by the study of fundamental physical properties of
epitaxial perovskite thin films. During this year, both dielectric (SrTiO 3 e BaSrTiO 3 ) and
metallic (CaRuO3 , SrRuO 3 ) compounds have been considered. The main attention has
being devoted to setting experimental conditions for deposition, and analyzing structural
properties. The capability of growing high quality epitaxial films has been demonstrated.
Structural properties, analyzed by reciprocal space mapping and by employing X-ray
diffraction techniques, have been related to deposition conditions, in order to again
information on the peculiar growth dynamics of such films. Furthermore, we started an
activity concerning characterization of electronic properties of these compounds, based on
dc transport measurements as a function of temperature, and of optical reflectometry
measurements in the range 27? m - 198nm.
- Josephson Junctions
Our group had previously designed and realized and original prototype of grain boundary
Josephson junction based on the biepitaxial technique. Briefly, grain boundary junctions
are based on the Josephson coupling taking place among two YBCO grains with different
orientation . Such difference in orientation is obtained by controlling the epitaxial growth
of different areas of the sample by means of a suitable buffer layer.
During year 2000, part of the activity has been devoted to improving the reproducibility of
our devices. Particular attention in this respect has been devoted to analyzing buffer layer
materials, deposition conditions and lithographic techniques. For example, different
material including SrTiO 3 , MgO and CeO 2 have been considered as buffer layers; new
etching techniques have been investigated; ion milling has been implemented in cryogenic
conditions.
An important problem is related to the formation of “green phase” precipitates
(Y2 BaCuO 5 ), especially in the proximity of the grain boundary region. Nucleation of such
phase, which is quite unusual in “in situ” grown epitaxial thin films, take place on the
(110) MgO surface. Its presence has been attributed to epitaxial matching with the (110)
MgO planes. Some possible strategies for the solution of the problem, as the use of nonstoichiometric YBCO targets, have been singled out, and will be exploited in next future.
280
- -
From the viewpoint of fundamental physics, the activity has been focused on specific
details related to the symmetry of the superconducting wave function in YBCO. The
flexibility for our biepitaxial technique is in fact especially suited to facing such kind of
analysis.
2001 Program
The scientific activity for year 2001 is based on the development of the traditional research
lines of the group.
The development of two new deposition systems is foreseen: a) a sputtering system, about
to be completed, devoted to the fabrication of Josephson junctions; b) a laser ablation
system, devoted to fabrication of perovskitic oxides films, to be designed. The laser
ablation system will be completed and employed in cooperation with other researchers of
the Optics Group of our Department.
The further development of experimental facilities devoted to growth of thin films with
characteristics similar to single crystals is fundamental for the future activity of the group.
The fabrication of high quality samples allows one to investigate many physical properties
of materials. Beside the traditional superconducting properties characterization, we will
consider the project of an experimental setup for the optical characterization of thin films
in cryogenic environment. Also this activity will be developed in cooperation with other
researchers of the Optics Group of our Department.
As far as the research on Josephson junctions is concerned, we foresee a noticeable
upgrading of the fabrication line. This is due to the new deposition system operation and to
the completion of the photolithography laboratory restoring. We will consider artificial
grain boundaries grown on CeO 2 buffer layers. This material allows unusual
crystallographic alignments, that are of fundamental relevance in the development of π
Josephson junctions, and of devices based on such junctions.
Pubblicazioni
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
F. Miletto Granozioa, U. Scotti di Uccioa, I. Maggio Aprileb, Ø. Fischerb and C. Aruta, A. Salluzzo, A
study of the growth mode of Re1+xBa2-xCu 3 O7-x (Re=Nd,Y,Sm) epitaxial films deposited by physical
vapour deposition, Physica C 341-348, 2361 (2000)
F. Miletto Granozio, U. Scotti di Uccio, M. Salluzzo, I. Maggio-Aprile, and Ø. Fischer, Competition
Between A-Axis and C-Axis Growth in Superconducting REbco Thin Films : a New Model, Phys. Rev. B
61, 756, (2000).
F. Lombardi, U. Scotti di Uccio, Z. Ivanov, T. Claeson and M. Cirillo, Flux flow in YBCO grain
boundary Josephson junction with a four terminal configuration, Appl. Phys. Lett., 76, 2591 (2000).
F. Lombardi, U. Scotti di Uccio, Z. Ivanov, T. Claeson and M. Cirillo, Flux flow effect induced by a
control current in a four terminal Josephson device, Physica C, 341, 1581 (2000).
F. Lombardi, F. Miletto Granozio, F. Ricci, U. Scotti di Uccio, G. Testa, E. Sarnelli, F. Tafuri,
F. Carillo, Transport properties of Josephson junctions and SQUIDs employing different types of
YBaCuO grain boundaries obtained through the biepitaxial technique, Int. J. of Mod. Phys. B, 14, 3074
(2000).
F. Ricci, F. Carillo, F. Lombardi, F. Miletto Granozio, U. scotti di uccio, F. Tafuri, Deposition on
vicinal substrates for domain selection in YBa2Cu3O7 films, Int. J. of Mod. Phys. B, 14, 2646 (2000).
G. Grassano, M. R. Cimberle, D. Marrè, I. Pallecchi, M. Putti, W. Ramadan, A. S. Siri, C. Ferdeghini,
A. Andreone, A. Cassinese, R. Di Capua, L. Gianni, M. Iavarone, F. Miletto Granozio, F. Ricci, U.
Scotti Di Uccio, R. Vaglio, F. Canepa, Superconducting properties of LuNi2 B2 C thin films, Int. J. of
Mod. Phys. B, 14, 2743 (2000).
281
- -
8)
F. Tafuri, F. Carillo, F. Lombardi, F. Miletto Granozio, F. Ricci, U. Scotti di Uccio, A. Barone, G.
Testa, E. Sarnelli, and J. R. Kirtley, Feasibility of biepitaxial YBa2 Cu 3 O7-x Josephson junctions for
fundamental studies and potential circuit implementation, Phys. Rev. B, 62, 14431 (2000).
9) A. Golubov, F. Tafuri, Andreev reflection in layered structures: Implications for high-Tc grainboundary Josephson junctions, Phys. Rev. B, 62, 15200 (2000).
10) F. Tafuri, J. R. Kirtley, Spontaneous magnetic moments in YBa2 Cu 3 O7-? thin films, Phys. Rev. B, 62,
13934 (2000).
11) C. Aruta, J. Zegenhagen, B. Cowie, G. Balestrino, G. Pasquini, P.G. Medaglia, F. Ricci, D. Luebbert, T.
Baumbach, E. Riedo, L. Ortega, R. Kremer, J. Albrecht, Structure of superconducting
[BaCuOx] 2 /[CaCuO2 ] n superlattices on SrTiO3 (001) investigated by x-ray scattering, Phys. Stat. Sol.
(a), 183, 353 (2001).
F. Tafuri, Macroscopic Quantum Tunneling and Coherence (MQC 2 )", (su invito), Napoli Palazzo
Serra di Cassano, 14-17 Giugno 2000
2) F. Lombardi, Flux flow effect in YBCO 4 terminal Josephson device, (special invited poster),
International Conference on “Materials and Mechanism of Superconductivity“ (M2S 2000 ),
Huston, Texas, 20-25 Febbraio 2000
3) F. Lombardi, Flux flow in YBaCuO7-δ grain boundaries Josephson junctions with a four terminal
configuration, International Conference on “Future prospective of Superconductive Josephson
devices”, Maratea , 2000.
1)
“X Congresso Nazionale di Superconduttività, SATT X”, ENEA Centro Ricerche Frascati, al quale F. Ricci
ha partecipato presentando il poster con cui ha vinto uno dei tre premi per giovani autori : Deposition on
vicinal substrates for domain selection in YBCO films
Partecipazioni a Editorial Boards di riviste scientifiche
Francesco Tafuri è stato member dell'editorial board di IEEE Appl. Supercond.
Direzione di progetti scientifici di interesse nazionale
Francesco Tafuri è stato direttore del Progetto PRA JT3D "High Temperature Superconductors Electronic
Devices"
Physics and Applications of High-Tc Josephson Devices, Workshop in memory of Sandro Di Chiara, INFM,
Hotel Paradiso, Napoli, 29-31 maggio 2000
FISICA DEI SEMICONDUTTORI
CRESCITA E CARATTERIZZAZIONE DI FILM DI A BASE DI
SILICIO
282
- -
G. Ambrosone, U. Coscia, V. Parisi
Attività 2000
Scopo della ricerca è lo studio e l’ottimizzazione, rispetto ai parametri di deposizione, delle
proprietà ottiche, elettriche e strutturali delle leghe di silicio carbonio amorfo idrogenato
(a-SiC:H) realizzate dalla decomposizione del silano e di diversi idrocarburi (metano e
acetilene) mediante un sistema PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition).
L’attività svolta ha riguardato il confronto tra andamenti delle proprietà dei film a-SiC:H
ottenuti da miscele di silano-metano e di quelli ottenuti da silano-acetilene al variare della
pressione e della potenza di rf.
I film sono stati deposti con la percentuale di idrocarburo costante, variando la pressione
tra 0.18 e 1 Torr e la potenza di rf tra 1.5 e 10 W. I valori sono stati scelti per ottenere film
con una energia di gap compresa tra 1.9 e 2.3 eV.
Sono state determinate le proprietà ottiche e strutturali dei campioni mediante la
spettroscopia ottica di trasmissione e riflessione nella regione UV-VIS-NIR, e la
spettroscopia IR. Sono state, inoltre, effettuate su tutti i film misure di fotoconducibilità
spettrale, di conducibilità di buio e di fotoconducibilità in presenza di luce bianca (flusso
luminoso 100 mW/cm2 in condizioni AM1). Infine la fotoluminescenza a temperatura
ambiente è state misurata sui campioni con valori più elevati dell’energia di gap (> 2.2
eV).
I principali risultati ottenuti sono che le proprietà ottiche e la fotoconducibilità dipendono
solo dal contenuto di carbonio nel film, mentre le proprietà elettriche (come la
conducibilità di buio e la fotosensitività) nonché le proprietà relative al disordine intrinseco
e la densità degli stati di difetto dipendono anche dal tipo di idrocarburo utilizzato. In
particolare, confrontando le proprietà dei campioni con la stessa energia di gap, i film a
base di metano hanno valori maggiori della fotosensitività e minori della densità dei difetti
e dell’energia di Urbach rispetto ai film a base di acetilene. Pertanto i film deposti da
silano–metano risultano più adatti alla realizzazione di strati intrinseci in dispositivi che
richiedono materiali con bassa densità dei difetti, alta fotosensibitività e energia di gap tra
1.9 e 2.2 eV come le celle fotovoltaiche a multigiunzione.
L’impiego dei film a base di acetilene, invece, è più opportuna nelle applicazioni per le
quali si richiedono strati intriseci con una energia di gap > 2.4 eV (es. LED), poiché l’uso
di tale idrocarburo consente di ottenere facilmente materiali con alti valori di energia di
gap.
In questi ultimi anni, l'attenzione incentrata sul silicio amorfo, per le applicazioni in
transistor a film sottili (TFT), celle solari, sensoristica e micromeccanica, si sta
polarizzando, in modo crescente, verso il silicio microcristallino. Questo è dovuto ad
alcune proprietà molto interessanti esibite da tale materiale. Infatti esso presenta, da una
parte, una maggiore stabilità sotto illuminazione ed una maggiore mobilità dei portatori di
carica rispetto al silicio amorfo, e dall' altra, rispetto al silicio cristallino, un coefficiente di
assorbimento più alto, nell'intervallo di energia 1-2 eV della radiazione incidente. La
tecnica di crescita di gran lunga più utilizzata per la deposizione di film sottili di silicio è
quella PECVD. Per tali motivi è stata intrapresa nel corso del 2000 una nuova attività di
deposizione e caratterizzazione rivolta allo studio della transizione dalla fase amorfa a
quella microcristallina in film di silicio realizzati mediante miscele di silano altamente
diluite in idrogeno.
283
- -
Sono stati, pertanto, deposti film variando la percentuale di silano rispetto all'idrogeno
(1%-10%) e mantenendo costanti tutti gli altri parametri di crescita.
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 ed idrogeno sono state eseguite misure di spettroscopia IR. E'
stata determinata per tutti i campioni la conducibilità di buio, la fotoconducibilità in
presenza di luce bianca (100 mW/cm2 AM1) e la fotosensitività. Il coefficiente di
assorbimento per valori inferiori a 104 cm-1 è stato calcolato da misure di fotocorrente
costante. La frazione di cristallinità e le dimensioni dei cristalliti sono state ricavate da
misure di diffrazione a raggi X (XRD) presso i laboratori dell'ENEA di Portici e da misure
di spettroscopia Raman effettuate dal gruppo di Film sottili del Politecnico di Torino.
Dall’analisi preliminare dei risultati si è ricavato che per valori della concentrazione di
silano rispetto all'idrogeno maggiori del 4% si ottengono materiali amorfi, per valori
minori i materiali si presentano microcristallini e per valori uguali al 4% hanno una fase
mista. Inoltre variando la concentrazione silano rispetto all'idrogeno dal 10% all'1 % si è
osservato un incremento di circa 5 ordini di grandezza della conducibilità di buio ( da 10-8
a 10-3 S/cm) e la riduzione di circa 4 ordini della fotosensitività. Infine, la velocità di
deposizione varia da 0.3 a 1.5 Å/s
Programma 2001
Si effettuerà uno studio sistematico delle proprietà ottiche, elettriche e strutturali dei film di
silicio microcristallino in funzione dei parametri di deposizione al fine di individuare le
condizioni ottimali di crescita di materiali intrinseci per la realizzazione di dispositivi
elettronici.
I film depositati, da silano fortemente diluito in idrogeno (> 90%), saranno caratterizzati
mediante conducibilità elettrica, fotoconducibilità spettrale, spettroscopia ottica di
trasmissione e riflessione nella regione UV-VIS-NIR, spettroscopia IR e misure di
fotoluminescenza a temperatura. Misure di diffrazione a raggi X e spettroscopia Raman,
saranno condotte in collaborazione con il gruppo di Film sottili del Politecnico di Torino.
Si continuerà altresì la deposizione di leghe silicio carbonio per studiare gli effetti della
temperatura di annealing sulle proprietà elettriche di tali leghe.
The aim of our research is the study and optimisation of the optical, electrical and
structural properties of hydrogenated amorphous silicon carbon (a-SiC:H) grown by a
PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition) system as a function of the
deposition parameters. The films have been deposited by the decomposition of silane and
different hydrocarbons.
During the last year the behaviours of the properties of a-SiC:H methane based alloys and
acetylene based ones have been compared to determine the effects of pressure and rf power
variations.
Samples have been deposited varying the pressure from 0.18 to 1 Torr and rf power from
1.5 to 10 W and keeping constant the hydrocarbon percentage. These values have been
chosen to have films with energy gap from 1.9 to 2,3 eV.
284
- -
The optical and electrical properties have been determined by means
transmission/reflection spectroscopy in UV-VIS-NIR region and IR spectroscopy. The
dark conductivity and photoconductivity under white illumination (100 mW/cm2 , AM1
conditions) have been measured. Furthermore the photoluminescence at room temperature
has been measured for samples with higher energy gap (> 2.2 eV).
The main results are that the optical properties and photoconductivity depend only on the
carbon content in film, while electrical properties (as dark conductivity and
photosensitivity), disorder and defect density of states depend also on the hydrocarbon. By
comparing the properties of the samples with the same energy gap, methane based films
have higher photosensitivity values, lower defect density and Urbach energy values respect
to acetylene based ones. Then the alloys deposited by silane – methane are more suitable as
intrinsic layer in PV devices because of high phosensitivity and low defect density in the
energy gap from 1.9 to 2.2 eV.
The use of the acetylene based alloys are more appropriate in device needs an intrinsic
layer with energy gap > 2,4 eV (for example LED), because of higher carbon incorporation
efficiency in the film by silane – acetylene gas mixtures.
In the last years the attention focused on amorphous silicon for application as thin film
transistor, solar cells, sensors and micromechanics has been polarized on microcrystalline
silicon (? c-Si:H) because of the interesting properties of such materials. Indeed the
microcrystalline silicon present higher stability under light illumination and higher carrier
mobility compared to amorphous silicon and, on the other side, compared to crystalline
silicon a higher absorption coefficient in the range from 1 to 2 eV. The more used
technique to grow thin microcrystalline silicon films is the PECVD. For these reasons in
the past year a new activity has been undertaken in order to grow and characterize
hydrogenated silicon films deposited by silane highly diluted in hydrogen to study the
amorphous to microcrystalline transition.
The films have been deposited varying the silane concentration in hydrogen from 10% to
1% and keeping constant the other parameters.
Samples have been characterized by means transmission/reflection spectroscopy in UVVIS-NIR to determine thickness, refractive index and absorption coefficient as a function
of the energy. The silicon and hydrogen bonds have been studied by IR spectra. Dark
conductivity and photoconductivity have been measured for all the samples.
The absorption coefficient at values < 10-4 cm-1 has been calculated by constant
photocurrent measurements. 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.
From the preliminary data analysis appears that for values of silane dilution higher than 4%
the deposited films are amorphous, for values lower than 4% they are microcrystalline and
for values equal to 4% they present mixed phase. Furthermore varying silane dilution
(from 10% to 1%) the dark conductivity increases from 10-8 to 10-3 S/cm and
photosensitivity decreases four order of magnitude. Finally the deposition rate ranges from
0.3 to 1.5 Å/s.
2001 Program
A systematic study on optical , electrical and structural properties of microcrystalline
silicon as a function of the deposition parameters will be carried out. The optimal
conditions to grow intrinsic material for electronic applications will be investigated .
285
- -
Films will be grown from silane highly diluted in hydrogen (>90%) and characterized by
means UV-VIS-NIR, IR spectroscopy; furthermore measurements of photoluminescence at
room temperature will be performed. X ray diffraction and Raman spectroscopy will be
done with the Thin Film group of Politecnico di Torino.
Deposition and electrical characterizations as a function of the annealing temperature of
silicon carbon will be carried out.
Pubblicazioni
1)
2)
3)
G.Ambrosone, P. Capezzuto, S. Catalanotti, U.Coscia, S. Mormone, Optical, electrical and structural
properties of hydrogenated amorphous Si-C alloys deposited by different hydrocarbon gas mixtures,
Phil. Mag. B, 80, 497-506 (2000)
G.Ambrosone, G. Bruno, P. Capezzuto, G. Cicala, U.Coscia, Growth-etching competitive mechanism
governing the structure and chemical composition of plasma deposited silicon- based materials, Phil.
Mag. B, 80, 487-496 (2000)
R. Murri, N. Pinto, G. Ambrosone, U. Coscia, Electrical resistivity of a-SiC:H as a function of
temperature: evidence for discontinuities, Phys. Rev. B, 62, 1801 (2000)
1)
2)
G. Ambrosone, G. Cicala, U. Coscia, F. De Filippo, S. Lettieri, P. Maddalena, Pressure and rf power
effects on optical and electrical properties of a-SiC:H films grown in SiH4 -C2 H2 gas mixtures, XVI
European Photovoltaic Solar Energy Conference, 1-5 May 2000, Glasgow, James & James Publishers, p
446-449
R.Murri, N. Pinto, G. Ambrosone , U. Coscia,P. Rava and A. Buonanoce, Thermal annealing of physical
properties of a-SiC:H, XVI European Photovoltaic Solar Energy Conference, 1-5 May 2000, Glasgow,
James & James Publishers, p 537-540
1)
2)
G. Ambrosone, G. Cicala, U. Coscia, F. De Filippo, S. Lettieri, P. Maddalena, Optical electrical and
structural properties of a-SiC:H films deposited by SiH4 +C2 H2 gas mixtures, Silicon Workshop 2-4
febbraio 2000, Genova
G. Ambrosone, P. Capezzuto, U. Coscia, F. De Filippo, S. Lettieri, P. Maddalena, Influence of pressure
on growth rate and optical properties of a-SiC:H films deposited by SiH4 +CH4 gas mixtures, INFMMeeting, 12-16 giugno 2000, Genova
PROPRIETÀ TERMICHE E OTTICHE DI MATERIALI
INNOVATIVI E DISPOSITIVI BASATI SU
SEMICONDUTTORI
U. Bernini, S. Lettieri*, P. Maddalena, A. Ramaglia
Attività 2000
La ricerca ha affrontato lo studio delle proprietà fisiche (termiche ed ottiche) di materiali
porosi e polveri basati su silicio e germanio.
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 pump-
286
- -
probe che ha permesso la misura della conducibilità termica di film sospesi di silicio
poroso 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. Di recente sono state completate misure,
eseguite al variare della lunghezza d’onda incidente, per un confronto con il modello
sviluppato.
È 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).
Di recente è stato intrapreso lo studio di film porosi di germanio, per i quali sono state
effettuate misure di fotoluminescenza e di analisi superficiale mediante spettroscopia FTIR.
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 che consente la misura delle perdite
ottiche al variare della lunghezza d’onda e dell’angolo di incidenza della radiazione.
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 2001
Per il 2001 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 mettere a punto un metodo per la determinazione della
risposta spettrale interna dei dispositivi.
Physical (thermal and optical) properties of silicon and germanium 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
287
- -
Kramers-Kronig relations so that the dispersion law of the dielectric constant has been
deduced at different sample porosity.
Contemporarily, the study of the third order nonlinear optical susceptibility χ(3) for porous
silicon samples has continued by means of the Z-scan technique and using ultrashort pulses
(a few tens of ps) 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. Recently, measurements have been performed at different incident
laser wavelengths which are in good agreement with the proposed model.
Time resolved photoluminescence measurements have been performed on nanometric
silicon powders: influence of doping type and environmental conditions on the time
behaviour of the recombination processes has been pointed out.
Recently, photoluminescence and FT-IR spectroscopic studies have been extended to
chemically etched porous films of germanium.
Finally, regarding the characterization of optical losses in solar cells and photovoltaic
modules, an original method has been proposed aimed to the measurements of the
emispherical reflectance in photovoltaic devices at varying wavelength and incidence angle
of the radiation.
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).
2001 Program
In the 2001, 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 will also continue, mainly
regarding photoluminescence and FT-IR spectroscopy.
We will set up an experiment and a method for the determination of the internal spectral
response of devices.
Pubblicazioni
1)
2)
3)
4)
5)
6)
S. Lettieri, O. Fiore, P. Maddalena, A. Morra, D. Ninno, Third-Order Nonlinear Refraction in Porous
Silicon: Theory vs. Experiment, Phil. Mag. B, 80, 587 (2000).
F. De Filippo, C. de Lisio, P. Maddalena, G. Lérondel, C. Altucci, Measurement of Porous Silicon
Dielectric Constant by VUV Laser Harmonic Radiation, Phys. Stat. Sol. (a), 182, 261 (2000).
A.Parretta, A. Sarno, P. Grillo, P. Maddalena, P. Tortora, Method for measurement of the
directional/hemispherical reflectance of photovoltaic devices, Opt. Commun., 186, 1 (2000).
A. Parretta, A. Sarno, P. Grillo, P. Maddalena, P. Tortora, A differential method for measurement of the
optical reflectance of PV materials and devices, Proc. of 16th Eur. Photovoltaic Solar En. Conf. and
Exhib.: Subject 3 Thin Film Cells and Techn., Glasgow, UK, pp. 133-137 (2000).
A. Parretta, A. Sarno, P. Grillo, P. Maddalena, P. Tortora, J. Zhao, A. Wang, Light trapping properties
of c-Si solar cells studied by reflectance and current measurements at variable angles of the incident
light, Proc. of 16th Eur. Photovoltaic Solar En. Conf. and Exhib.: Subject 3 Thin Film Cells and Techn.,
Glasgow, UK, pp. 1156-1160 (2000).
G Ambrosone, G. Cicala, U. Coscia, F. De Filippo, S. Lettieri, P. Maddalena, Pressure and rf power
effects on optical and electrical and structural properties of aSiC:H films grown in SiH4 -C2 H2 gas
mixtures, Proc. of 16th Eur. Photovoltaic Solar En. Conf. and Exhib.: Subject 3 Thin Film Cells and
Techn., Glasgow, UK, pp. 446-449 (2000).
288
- -
1. U. Bernini, S. Lettieri, P. Maddalena, R. Vitiello, G. Di Francia, Thermally-induced non-linear
transmittance and thermal conductivity in free-standing porous silicon, Silicon Workshop, Genova, 2000.
2. P. Maddalena, C. Altucci, C. de Lisio, F. De Filippo, G. Lerondel, Experimental determination of Porous
Silicon dielectric constant in the 1 ÷16 eV range, Silicon Workshop, Genova, 2000.
3. C. Altucci, F. De Filippo, C. de Lisio, G. Lerondel, P. Maddalena, Determination of Porous Silicon
Complex Dielectric Constant between 1÷16 eV by Normal Incidence Reflectance Measurements, Int.
Conf. On Porous Semiconductors - Science and Technology, PSST 2000, Madrid, Spain, 2000
4. C. Altucci, F. De Filippo, C. de Lisio, G. Lerondel, P. Maddalena, Determination of Porous Silicon
Complex Dielectric Constant in the 1÷16 eV Range, ESF Workshop on “Applications of High-Order
Harmonics”, Lund, Sweden, 2000.
5. G Ambrosone, G. Cicala, U. Coscia, F. De Filippo, S. Lettieri, P. Maddalena, Pressure and rf power
effects on optical and electrical properties of a-SiC:H films grown in SiH4 -C2 H2 gas mixtures, 16th Eur.
Photovoltaic Solar En. Conf. and Exhib.: Subject 3 Thin Film Cells and Techn., Glasgow, UK, 2000.
6. A. Parretta, A. Sarno, P. Grillo, P. Maddalena, P. Tortora, J. Zhao, A. Wang, Light trapping properties of
c-Si solar cells studied by reflectance and current measurements at variable angles of the incident light,
16th Eur. Photovoltaic Solar En. Conf. and Exhib.: Subject 3 Thin Film Cells and Techn., Glasgow, UK,
2000.
7. A. Parretta, P. Grillo, A. Sarno, P. Maddalena, P. Tortora, A differential method for measurements of the
optical reflectance of PV materials and devices, 16th Eur. Photovoltaic Solar En. Conf. and Exhib.:
Subject 3 Thin Film Cells and Techn., Glasgow, UK, 2000.
EFFETTI DELL'INTERAZIONE ELETTRONE-FONONE IN
CUPRATI E MANGANITI
V. Cataudella, G. De Filippis*, G. Iadonisi, F. Ventriglia, V. Marigliano Ramaglia,
E. Piegari*, C.A. Perroni
Attività 2000
La formazione di stati polaronici dovuti all' interazione elettrone-fonone è stata
ulteriormente approfondita con lo scopo di studiare il cross-over tra soluzioni localizzate
(polaroni piccoli) e soluzioni itinerenati. Si è proposta una funzione di prova variazionale
che si è dimostrata essere talmente flessibile da dare risultati coincidenti per almeno tre
cifre significative con i più sofisticati calcoli numerici attualmente disponibili.
Sono stati calcolati energie e fuzioni d’onda autoconsistenti di stati eccitati del bipolarone
nel modello di Froehlich. La tecnica utilizzata, basata sulla teoria di Bogolyubov-Tjablikov
del polarone, permette un confronto significativamente positivo con i risultati del metodo
del path-integral e delle trasformazioni canoniche.
Si sono studiati gli effetti dell' interazione elettrone-fonone nelle manganiti. In questi
materiali la coesistenza di interazione magnetiche (interazione di doppio scambio e
antiferromagnetica) ed un forte accoppiamento degli elettroni di conduzioni con il reticolo
producono una grande ricchezza di effetti quali la magnetoresistenza gigante. Il principale
risultato consiste nell’aver mostrato l' esistenza di un regime in cui si manifesta una
separazione di fase tra regioni isolanti caratterizzate da forti distorsioni reticolari e regioni
metalliche ferromagnetiche caratterizzate da piccole distorsioni reticolari. Il nostro
approccio apre la possibilità di indagare le proprietà di assorbimento infrarosso in questi
materiali.
289
- -
Programma 2001
Si intende calcolare l' assorbimento nella regione infrarossa delle manganiti per ottenere un
confronto diretto con i risultati sperimentali disponibili.
La possibilità di disomogeneità di carica nelle manganiti verrà approfondita cercando di
metterne in evidenza gli aspetti microscopici. Inoltre si cercherà di estendere lo studio al
caso dei cuprati che presentano alcune analogie con le manganiti.
Infine si studierà l'effetto dell' hopping a secondi vicini nella formazione di polaroni e
bipolaroni. Questo effetto è ritenuto rilevante nei cupratri come emerge da esperimenti di
fotoemissione (ARPES).
Dal punto di vista metodologico si intende sviluppare il software necessario per
diagonalizzare matrici di grandi dimensioni con la tecnica della diagonalizzazione
stocastica.
Formation of polarons due to the electron-phonon (e-ph) interaction has been further
investigated in order to study the cross-over between localized states (small polaron) and
itinerant states. A variational wave function has been proposed that provides an excellent
approximation for the polaron properties. The comparison with the best numerical
wavefunctions available has given an agreement up to thre figures.
The wave functions and the energies of excited states of the large bipolaron have been
calculated by using the generalization of the Bololyubov-Tjablikov theory of the polaron.
The results are largely comparable with those obtained using the path-integral technique
and the unitary transformations.
The effects of the e-ph interaction in the Manganites have been studied. In these
perovskites the coexistence of magnetic interactions (double-exchange and
antiferromagnetic interactions) and a very significant coupling among electrons and lattice
give rise to a very rich phase diagram and effects as the Colossal Magneto-resistance. The
main result has benn to show the existence of a phase separation, due to the e-ph
interaction, between insulating regions characterized by strong lattice distortions and
ferromagnetic metallic regions characterized by very weak lattice distortions. Our
approach open up the possibility to calculate the infrared absorption of these materials.
2001 Program
We will calculate the infrared absorption in the manganites in order to get a direct
comparison with the many experimental results available.
The possibility to have charge inhomogenities in the manganites will be further
investigated trying to clarify the microscopic characteristics. Furthermore our study will be
extended to the cuprates that present properties similar to those of manganites.
Finally, the effects of next-nearest neighbor hopping in the polaron and bipolaron
formation will be investigated. The next-nearest neighbor hopping seems to be important
in the cuprates as suggested by photoemission experiments (ARPES).
From the methodological point of view we will develop the software needed to implement
the diagonalization algorithm called Stocastic Diagonalization that allows to diagonalize
very large matrices as needed in the problem we have proposed to study.
290
- -
Pubblicazioni
1) V. Cataudella, G. De Filippis and G. Iadonisi, Polaron features of the one-dimensional
Holstein Molecular Crystal Model”, Phys. Rev. B, 62, 1496 (2000)
2)
3)
G. Iadonisi, V. Cataudella, G. De Filippis, V. Mukhomorov, Internal vibrational structure of the threedimensional large bipolaron, European Journal of Physics B, 18, 67 (2000)
V. Cataudella, G. De Filippis, G. Iadonisi, A. Bianconi, N.L. Saini, “Coexistence of charges trapped in
local lattice distorsion and free carriers in cuprates”, Int. J. Mod. Phys., 14, 3398 (2000)
1) V. Cataudella, G. De Filippis, G. Iadonisi, A. Bianconi, N.L. Saini, Coexistence of
charges trapped in local lattice distorsion and free carriers in cuprates, III Conferenza
Internazionale su Stripes and High Tc Superconductivity Roma September 25-30 2000
(V. Cataudella, presentazione orale)
2) G. De Filippis, V. Cataudella, G. Iadonisi, Charge inhomogeneities in Manganities,
International Workshop on “Polaron Effects in Cuprates and Manganites”, Capri,
Aprile 27-29 2000 (Giulio De Filippis , presentazione per invito)
EFFETTI MAGNETICI IN RETICOLI DI GIUNZIONI JOSEPHSON
V. Cataudella
Attività 2000
In anni recenti gli effetti magnetici in reticoli di giunzioni Josephson hanno attratto l'
attenzione della comunità scientifica. In particolare gli effetti dovuti al disordine reticolare,
la presenza di interazioni a
secondi vicini e reticoli con strutture esotiche (ad esempio il reticolo T3 o “dice”) sono
stati oggetto di accurati studi. In collaborazione con R. Fazio (Università di Catania), S.E.
Korshunov (Landau Institute, Mosca) e G. Franzese (Universià di Boston) si è studiato il
ruolo dell' interazione a secondi vicini in un reticolo di giunzioni Josephson in campo
magnetico usando un modello XY frustrato. I risultati mostrano l'esistenza di una
transizione con caratteristiche anomale quando il rapporto tra interazione a primi e secondi
vicini assume il valore X=1/sqrt(2).
Programma 2001
Nell' ambito delle attività del 2001 ci proponiamo di studiare reticoli con strutture esotiche
(ad esempio il reticolo "dice" o "T3") che ha attirato recentemente l' interesse di alcuni
gruppi sperimentali. In particolare in questi reticoli son presenti fenomeni di localizzazione
in assenza di disordine. In collaborazione con R. Fazio dell’ Università di Catania si
affronterà lo studio delle proprietà di correlazione dei vortici presenti in questi sistemi
utilizzando il modello XY frustrato.
Recently the magnetic effects in Josephson-junctions lattices have attracted the attention of
many reasearchers. In particular the effect due to disorder , the next-nearest neighobor
interactions and esotic lattices (e.g. T3 or “dice” lattice) have been studied. . Within an
291
- -
international collaboration (S.E. Korshunov-Landau Institute, R. Fazio-Università di
Catania and G. Franzese-Boston University) the next-nearest neighobor interaction effects
in a square lattice of Josephson-junctions have been investigated by using an XY frustrated
model. The results show an anomalous critical transition when the ratio between the
nearest and next-nearest neighbor takes the value X=1/sqrt(2).
2001 Program
In the year 2001 we are going to study lattices with exotic structures as the T3 lattice. 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 will be studied by using an XY frustrated model.
Pubblicazioni
1)
2)
G. Franzese, V. Cataudella, S.E. Korshunov and R. Fazio, Fully frustrated XY model with next-nearestneighbor interaction, Phys. Rev. B, R9287 (2000)
V. Cataudella et al., How the ext-nearest-neighbor interaction change the phase diagram of a fully
frustrated XY model, Physica B, 284, 431 (2000)
Comunicazioni a conferenze internazionali
G. Franzese et al., How the ext-nearest-neighbor interaction change the phase diagram of a fully frustrated
XY model, March Meeting (2000)
EMISSIONE DI LUCE DA SILICIO POROSO
F. Buonocore*, G. Cantele*, L. Lancellotti*, G. Iadonisi, F. Liguori*, D. Ninno
Attività 2000
In un filo quantico cilindrico deformato ed in presenza di impurezza donorica è stata
studiata la reciproca influenza tra gli stati localizzati nella regione deformata del filo e gli
stati di impurezza giungendo alla conclusione che anche se l’impurezza è posta a grande
distanza da questa regione può accadere che l’impurezza resti ionizzata per trasferimenmto
dell’elettrone nella regione deformata. Ciò ha rilevanza per le proprietà ottiche e di
trasporto del filo quantico.
La curvatura delle superfici che delimitano i sistemi confinati può indurre stati di superfice
localizzati nella regione di massima curvatura. Ciò introduce nuovi canali di decadimento
degli elettroni localizzati nella regione deformata, che risultano essere perciò di grande
reattività chimica.
È stata anche studiata la modificazione dei livelli delle nanostrutture per la presenza di
atomi esterni.
Infine è stato determinato in maniera quasi analitica lo spettro di particella singola in dots
quantici, includendo anche gli effetti di polarizzazione di superfice.
292
- -
Programma 2001
È iniziato lo studio dei sistemi elettronici fortemente correlati e localizzati nei fili con lo
scopo di calcolarne le proprietà ottiche e di trasporto.
The impurities and the deformation of the quantum wire determine new features of the
electronic spectrum. It can occur that even if the impurity is at large distance from the
deformed region, it can be ionized by the transfer of the electron in the bulge region. This
is relevant for the optical and transport properties of the wire.
The curvature of the surface at the border of the nanometric system induces electronic
states localised in the region of largest curvature. This opens new channels for the decay of
the electrons in the excited states even localised in the bulge. The deformed region of the
structure becomes in this way of large chemical reactivity.
We have also studied the modification of the electronic levels of the nanostructures in
presence of external atoms.
Finally we have calculated quasi-analitycally the single particle spectrum in quantum dots,
including the effects of the polariztion of the surface.
2001 Program
We started to study the strongly correlated electron systems localized in the wires with the
aim to calculate their optical and transport propertiesPubblicazioni
1)
2)
3)
4)
5)
6)
F. Buonocore, D. Ninno, G. Iadonisi, Theoretical calculations of shallow impurity states in deformed
quantum wires with an application to porous silicon, Phys. Rev. B, 62, 10914 (2000)
G. Cantele, D. Ninno, G. Iadonisi, Topological surface states in deformed wires, Phys. Rev. B, 61,
13730 (2000)
D. Ninno, G. Iadonisi, F. Buonocore, G. Cantele, G. Di Francia, A theory for semiconductor
nanostructure reactivity to gas environment, Sensors and Attuators B, 68, 17 (2000)
G. Cantele, D. Ninno, G. Iadonisi, Confined states in ellipsoidal quantum dots, J. Phys.: Condensed
Matter, 12, 9019 (2000)
D. Ninno, F. Buonocore, G. Cantele, G. Iadonisi, Impurity and topological surface states in porous
silicon, Physica Status Solidi A, 182, 285 (2000)
S. Lettieri, O. Fiore, P. Maddalena, A. Morra, Third-order nonlinear refraction in porous silicon: theory
versus experiment, Philos. Mag. B, 80, 587 (2000)
Comunicazioni a conferenze internazionali
1)
2)
G. Di Francia, V. La Ferrara, T. Fasolino, L. Quercia, L. Lancellotti, G. Iadonisi, D. Ninno, Reversible
and Irreversible Effects of Gas Environments on Porous Silicon Photoluminescence, in Proc. of the 4th
Italian Conference on Sensors and Microsystems (C. Di Natale, A. D'Amico and G. Sberveglieri Eds.,
(World Scientific Publishing, Singapore, 2000)
D. Ninno, F. Buonocore, G. Cantele, G. Iadonisi, G. Di Francia, The role of quantum confinement in
porous silicon gas sensors, in Proc. of the 5th Italian Conference on Sensors and Microsystems (C. Di
Natale, A. D'Amico e P. Siciliano Eds.), World Scientific 2000, pag. 134
SISTEMI MESOSCOPICI E FLUTTUAZIONI QUANTISTICHE
293
- -
D.Giuliano*, V.Marigliano Ramaglia, P.Onorato*,A.Tagliacozzo,
F.Ventriglia, G.P.Zucchelli
Attività 2000
- Proprietà elettroniche e di trasporto di dot quantistici.
Per effetto della correlazione tra elettroni, lo spin totale elettronico dello stato
fondamentale di dot quantistici isolati può variare applicando un campo magnetico
perpendicolare al sistema. Recentemente abbiamo studiato la transizione da singoletto a
tripletto in dot con numero pari di elettroni. Si trovano effetti sulla conducibilità lineare
perturbativa quando il dot è connesso debolmente a dei contatti [1]. È stato possibile
studiare anche la conducibilità non perturbativa in condizioni di Coulomb blockade con
numero pari di elettroni [2][5]. Si è sfruttata l'analogia con il problema Kondo di
un'impurezza in interazione con stati delocalizzati per concludere che lo spin sul dot si
frazionalizza, nonostante il numero elettronico rimanga pari. Si è calcolato il momento
magnetico effettivo del dot nello stato fondamentale correlato usando un formalismo
variazionale su stati costruiti a partire dal mare di Fermi libero, con un proiettore tipo
Gutzwiller.[3] Ricerca svolta in collaborazione con B.Jouault, CNRS Montpellier e
G.Santoro, SISSA, Trieste.
- Eccitazioni di spin in antiferromagneti quantistici unidimensionali.
In antiferromagneti quantistici unidimensionali le eccitazioni sono modi a spin 1/2 e carica
zero (spinoni) o a carica 1 e spin 0 ( holoni). Un'onda di spin (spin 1) non è un'eccitazione
stabile e decade in due spinoni. Questa instabilità si mostra come una non analiticità della
funzione spettrale corrispondente, che ha una divergenza alla soglia , seguita da una
diramazione con taglio di analiticità. Si è mostrato questo nell'ambito della soluzione esatta
a due spinoni del modello di Haldane-Shastry da cui emerge che gli spinoni si attraggono a
corta distanza, pur non riuscendo a legarsi. Rcerca svolta in collaborazione con
B.A.Bernevig e R.B.Laughlin presso l'Università di Stanford [4][5].
Programma 2001
Si sta studiando la possibilità che sia possibile misurare un eccesso di conduttanza dovuto a
un effetto Kondo a spin 1/2 e due canali in una struttura verticale con un dot [6][7]. È
all'esame la conduzione Josephson attraverso un dot in condizioni di ' blocco di Coulomb
con contatti superconduttivi.
Si studia anche la transizione quantistica superconduttore-isolante in reticoli Josephson
quantistici bidimensionali. Si studia il decadimento di una buca in spinoni ed holoni in un
modello t-J supersimmetrico unidimensionale.
1) Eletronic properties and transport in quantum dots.
Electron correlation can produce changes in the total spin of isolated dots when a magnetic
field is applied orthogonal to the dot. We considered the transition of a dot with an even
number of particles from a singlet to a triplet state and its effect on conductance when the
link to the contacts is weak. At strong coupling the dot acts as a Kondo impurity of definite
294
- -
spin in interaction with delocalized electrons from the contacts. At Coulomb blockade,
Kondo conductance can also occur with an even number of electrons, if the magnetic field
is chosen such that a singlet triplet crossing occurs [2][5]. A projection formalism can be
constructed to describe the Kondo ground state at the strong coupling fixed point[3].
The Spin dynamics of excitations in low-dimensional Quantum Antiferromagnets has been
studied. In spin-1/2 one-dimensional antiferromagnets the elementary excitation is given
by a collective mode carrying spin 1/2: the spinon. The spin wave, instead, is not a stable
excitation. It decays into states with an even number of spinons. Such an instability of the
spin wave shows up as a nonanaliticity of the corresponding spectral function, which has a
divergence at threshold, followed by a broad branch cut. In an exact solution of a particular
model of a one-dimensional antiferromagnet, the Haldane-Shastry model, it has been
shown that spinons interact by means of a short-range attraction. The main effect of such
an interaction is the enhancement of the matrix element for decay of a spin wave into a
many-spinon state. Hence, the conclusion is that a measurement of the spectral density of
state of a spin wave is a direct evidence of the interaction between spinons. This research
line has been partially pursued in collaboration with B. A. Bernevig and R. B. Laughlin, at
Stanford University.
2001 Program
We analyze the possibility that spin 1/2 two-channel Kondo conductance can be measured
in a vertical quantum dot [6][7]. We also consider Josephson conduction across a quantum
dot at Coulomb blockade with superconducting contacts. The quantum transition of a twodimensional quantum Josephson junction array from the superconducting to the insulating
phase is investigated within a non-linear sigma model approach.The decay of a hole into
holons and spinons is studied in a one-dimensional quantum antiferromagnet described by
the t-J supersimmetric model.
Pubblicazioni:
1)
2)
3)
4)
B.Jouault,G.Santoro,A.Tagliacozzo, Phys.Rev.B, 61,10242 (2000)
D.Giuliano, A.Tagliacozzo, Phys. Rev. Lett., 84, 4677 (2000)
D.Giuliano, B.Jouault, A. Tagliacozzom, Possibility of two-channel orbital Kondo “spin” 1/2
conductance in a quantum dot, cond-mat/0101341
G.Morandi, P.Sodano, A.Tagliacozzo, Field Theories for Low Dimensional Condensed Matter Systems,
Solid State Sciences 131, V.Tognetti ed., Springer Verlag,Berlin (2000)
Conferenze internazionali:
1)
2)
3)
4)
D.Giuliano, B.Jouault. A.Tagliacozzo, Compensation of the spin of a quantum dot at Coulomb blockade,
in Proceedings of the It. Workshopon Macroscopic Quantum Coherence and Computing (MQC2),
Napoli (Italy) June 14-17, 2000, D.Averin, B.Ruggiero and P.Silvestrini, eds., Kluwer Academic/Plenum
Publishers, NY in press.
D.Giuliano, A.Tagliacozzo, Measuring tunnel current in a quantum dot: entanglement of the system and
the contacts, in Proceedings of the conference “Time arrow, quantum measurement and superluminal
behavior “, Napoli, June 2000, D.Mugnai,A.Ranfagni,L.Schulman eds., CNR publications, in press.
TMR-Project FMRX CT98-0180, Mid-Term Review Meeting : 04/09/00 - 05/09/00Haus Rissen,
Hamburg, Germany
A.Tagliacozzo, Spin fractionalization in vertical Quantum Dot with an even number of electrons in
magnetic field, invited talk at the COST-P5 Meeting: Workgroup WG3 (Quantum Dots and
Nanoparticles), Delft Technical University , April 14-15,2000.
295
- -
PROBLEMI RELATIVISTICI
B. Preziosi
Attività 2000
Seguendo un filone iniziato qualche anno fa, si è portata avanti una ricerca “Sulle minime
ipotesi che implicano le trasformazioni di Lorentz e Galilei”, lavoro svolto in
collaborazione con G. Marmo.
In collaborazione con Altucci, De Lisio e Solimeno, è stato scritto un Commento
sull'esperimento di Mugnai et al., che mostra una apparente velocità superiore alla luce,
commento che necessita di ulteriore approfondimento.
He has carried on a research "on the minimal hypotheses implying Lorentz and Galilei
transformations" in collaboration with G. Marmo.
In collaboration with Altucci, Di Lisio and Solimeno, has written a comment on the
superluminal experiment by Mugnai et al., which needs to be improved in the context of
the signal analysis.
296
- -

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