STAGE ESTIVI – FISICA – UNIFE 2019

Programma dei laboratori

Per l’edizione 2019 degli stage estivi di Fisica a UNIFE sono stati selezionati un serie di laboratori che spaziano su tutti gli ambiti di ricerca, in modo da dare l’opportunita’ agli studenti di vedere le diverse attivita’ svolte all’interno di questa struttura di ricerca. Gli studenti verranno quindi suddivisi in gruppi e ogni gruppo ogni giorno vedra’ un laboratorio diverso. Per questioni organizzative, ogni singolo gruppo non vedra’ tutti i laboratori proposti, ma vedra’ comunque i diversi ambiti di ricerca. Riportiamo nel seguito i diversi laboratori suddivisi per le macro aree COSMOLOGIA/ASTROFICIA, FISICA TEORICA E COMPUTAZIONALE, FISICA DELLA MATERIA, FISICA MEDICA NUCLEARE, TECNOLOGIE NUCLEARE PER AMBIENTE E ARTE  e FISICA DELLE PARTICELLE.  

• COSMOLOGIA/ASTROFISICA

• Cosmologia con la radiazione cosmica di fondo(Margherita Lembo)

Lo stage mira a fornire agli studenti delle nozioni base di Cosmologia, con enfasi sulla radiazione cosmica di fondo (CMB), ovvero la radiazione elettromagnetica prodotta nell’Universo primordiale ed i cui residui lo permeano interamente.

Alle lezioni teoriche saranno affiancate lezioni pratiche dove gli studenti saranno chiamati in prima persona ad analizzare i dati del satellite Planck dell’ESA con lo scopo di vincolare alcune proprietà del modello cosmologico standard.

• Laboratorio di lenti gravitazionali(Pietro Bergamini, Piero Rosati)

La teoria della Relativita’ Generale di Einstein prevede che la luce viene deviata nel passaggio nelle vicinanze di corpi massicci (come stelle o galassie) che deformano lo spazio-tempo intorno a loro. Questo fenomeno ha portato alla scoperta delle lenti gravitazionali che sono tra gli strumenti piu’ potenti dell’astrofisica moderna per studiare la distribuzione di materia oscura nell’Universo e le galassie piu’ distanti amplificate ed ingrandite da questo effetto. Durante questa attivita’, verra’ sfruttata una analogia molto stretta tra gli effetti ottici delle lenti gravitazionali e quelli prodotti da lenti opportunamente sagomate, per illustrare e capire questo fenomeno paragonando immagini del telescopio spaziale Hubble con quelle riproducibili con un banco ottico in laboratorio. Verra’ anche simulato l’effetto di spostamento apparente delle stelle proiettate dietro il disco solare durante l’eclissi, riproducendo l’esperimento di Eddington del 1919, che porto’ alla prima eclatante verifica delle previsioni della teoria della gravita’ di Einstein.

• FISICA TEORICA e COMPUTAZIONALE

Questo percorso comprende due attività in differenti aree, elencate in seguito. Per entrambe le attività, a partire da un argomento nel campo della Fisica, verranno descritte agli studenti delle tecniche computazionali utilizzabili per investigare l’argomento specifico ed in generale applicabili ad una più vasta classe di problemi. Dopo una breve introduzione, gli studenti potranno applicare le tecniche presentate a dei casi di studio proposti.

• Il Metodo Montecarlo ed il Calcolo Parallelo(Enrico Calore)

Prendendo come esempioil calcolo di pi-greco, gli studenti verranno introdotti al Metodo Montecarlo ed al calcolo parallelo. In particolare, i partecipanti potranno scrivere un programma in linguaggio C in grado di calcolare pi-greco mediante il metodo Monte Carlo, utilizzando il supercomputer dell’Università di Ferrara.

• La Fisica del Suono e l’Analisi dei Segnali(Alessandro Gabbana)

Prendendo come esempio l’acustica, in questa prima parte del percorso, gli studenti verranno introdotti alle tecniche di analisi dei segnali (e.g. acquisizione, analisi in frequenza, tecniche di filtraggio, ecc.) In particolare potranno analizzare in prima persona dei segnali audio prodotti da strumenti musicali.

• FISICA DELLA MATERIA

• Magnetismo e nanostrutture (Federico Spizzo)

La mattinata inizierà con la descrizione delle proprietà magnetiche della materia, in particolare delle nanostrutture, per mettere in risalto quali siano le peculiarità di questa tipologia di materiali e di come essi vengano prodotti. Seguirà poi la presentazione delle tecniche sperimentali che vengono usate per analizzare le proprietà di questi materiali, sia quelle di tipo morfologico (forma/grandezza) che quelle di tipo magnetico (forma del ciclo di isteresi). Si passerà poi in laboratorio, per svolgere degli esperimenti che permettano di confrontare le proprietà di sistemi magnetici in forma di nanostrutture con quelle dei sistemi magnetici di riferimento (ovvero aventi la stessa composizione, ma con dimensione macroscopica (~ mm)).

• Materiali ed applicazioni per sensori di gas(Barbara Fabbri, Matteo Valt)

Lo studente sarà guidato partendo dalle sue conoscenze di base di fisica moderna fino a poter comprendere i concetti fondamentali della teoria dei semiconduttori.  Seguirà una breve descrizione delle proprietà dei semiconduttori nanostrutturati e del loro utilizzo come materiali funzionali per la realizzazione di sensori per gas. Gli studenti potranno vedere operativamente la realizzazione di una sintesi chimica per la produzione di un ossido semiconduttore nanostrutturato. In seguito verranno eseguite esperienze di caratterizzazione elettrica dei sensori esposti a gas di interesse ambientale. Infine verrà illustrato il funzionamento di alcuni dispositivi per il monitoraggio di composti gassosi realizzati presso il nostro laboratorio per applicazioni in campo agroalimentare e di diagnostica medica.

• Dispositivi Fotovoltaici(Paolo Bernardoni)

Il laboratorio consiste in un’introduzione alla fisica dei semiconduttori, dei dispositivi fotovoltaici e dei LED. Verranno illustrate le caratteristiche fisiche dei semiconduttori e come sia possibile impiegarli per lo sfruttamento dell’energia solare, al termine dell’introduzione teorica si passerà alla misura sperimentale della curva caratteristica corrente-tensione di una cella solare dalla quale se ne ricaveranno i principali parametri elettrici.

• FISICA MEDICA NUCLEARE

• Imaging con radiazioni ionizzanti(Paolo Cardarelli)

Il percorso di Fisica Medica sulle tecniche di imaging con radiazioni ionizzantisarà concentrato sulla comprensione dei principi fisici alla base della radiografia clinica. Dopo una breve introduzione teorica, seguirà un’attività di laboratorio che permetterà di comprendere alcuni aspetti relativi alla produzione di radiazione, interazione radiazione-materia e ai fenomeni coinvolti nel processo di formazione dell’immagine. 

In particolare le attività  svolte saranno dedicate alla:

• comprensione dei principi di funzionamento di un tubo a raggi-X e rivelatore digitale per imaging radiografico; 
• valutazione del coefficiente di attenuazione di vari materiali al variare dell’energia dei fotoni incidenti;
• valutazione del contrasto e visibilità di dettagli nell’immagine radiografica in relazione alla qualità del fascio X e composizione del campione in esame;
• discussione di limiti e vantaggi della diagnostica con raggi X in ambito clinico, sulla base di quanto imparato dalle attività sperimentali.

• Imaging con radiazioni non ionizzanti(Giacomo Gadda)

Il percorso di Fisica Medica sulle tecniche di imaging con radiazioni non ionizzanticoinvolgerà gli studenti nello sviluppo di un protocollo sperimentale utile allo studio del sistema cardiocircolatorio umano tramite ultrasuoni. Dopo una panoramica generale, verranno svolte alcune esperienze per comprendere come fenomeni fisici molto comuni (onde meccaniche, effetto Doppler, elettricità e principi di base dei circuiti elettrici) siano utilizzati per studiare il funzionamento del sistema circolatorio in modo non invasivo. Gli studenti si troveranno ad affrontare le problematiche tipiche della ricerca applicata e traslazionale, e verranno guidati nello sviluppo di un protocollo di ricerca con applicazione clinica che comprende i seguenti punti:

• Scelta della strumentazione e del corretto protocollo di acquisizione dati;
• Simulazione “in silico” tramite modelli matematici;
• Assemblaggio di fantocci emodinamici per la calibrazione “in vitro” degli strumenti;
• Utilizzo di tecniche di analisi dati utili ad estrarre informazioni di interesse clinico da tracciati fisiologici di varia natura;
• Applicazione “in-vivo” delle metodiche affrontate ed estrazione di parametri fisiologici di interesse.

• TECNOLOGIE NUCLEARI PER AMBIENTE E ARTE

• Laboratorio di Fisica per i Beni Culturali(Anna Impallaria, Ferruccio Petrucci)

Le diagnostiche scientifiche sono un importante strumento di conoscenza di un’opera d’arte. Permettono infatti di monitorare e documentare l’evoluzione dell’opera nel tempo e di progettare eventuali interventi di restauro. Presso i nostri laboratori vengono utilizzate, progettate e sperimentate diagnostiche che utilizzano diverse bande dello spettro elettromagnetico, dall’infrarosso ai raggi X. Gli studenti coinvolti nel percorso di ‘Tecnologie per l’arte’ acquisiranno le nozioni di base delle principali tecniche di imaging utilizzate dal gruppo di ricerca per la diagnostica dei dipinti – quali fluorescenza UV e di raggi X, radiografia X – attraverso concetti teorici ed esempi applicativi su casi studio. Gli studenti avranno la possibilità di applicare in prima persona alcune di queste tecniche, in particolare fotografia in luce radente e di fluorescenza UV, allo scopo di acquisire gli elementi fondamentali per l’utilizzo della strumentazione e la pratica ‘in campo’.

• FISICA DELLE PARTICELLE (Mirco Andreotti, Isabella Garzia, Gianluigi Cibinetto)

Le particelle non possono essere viste a occhio e nemmeno con strumenti ottici, come per esempio il microscopio. Lo studio delle particelle elementari implica quindi l’utilizzo di tecniche di rivelazione particolari atte a evidenziare la presenza delle particelle. E’ inoltre necessario l’utilizzo di elettronica avanzata per tradurre in segnali elettrici la presenza delle particelle, in modo da poter avere delle misure quantitative. Le tecniche di rivelazione e di misura possono variare a seconda degli studi che ci si propone di fare. In questa attivita’ vedremo quindi tre diversi aspetti dello studio delle particelle con i seguenti tre laboratori.

• Laboratorio di raggi cosmici

Verra’ mostarto agli studenti una tecnica per rivelare i raggi cosmici che ci investono in ogni momento, verra’ inoltre misurata la velocita’ di queste particelle

• Laboratorio laser/ tecniche di misura

Grazie alle proprieta’ dei laser verra’ proposto agli studenti un metodo alternativo per la misura di oggetti di piccole dimensioni. Le dimensioni in questione sono ancora abbastanza grandi da poter essere valutate con metodi ottici tradizionali, ma allo stesso tempo sono abbastanza piccole da poter essere valutate con tecniche alternative utilizzabili in alcuni casi nel campo delle particelle elementari.

• Laboratorio elettronica

Verranno proposti agli studenti alcune attivita’ sull’utilizzo dei dispositivi elettronici per misure fisiche, elaborazione segnali e dati con eventuale implementazione di algoritmi di intelligenza artificiale.