Ambiti di Ricerca

PRINCIPALI ATTIVITÀ DI RICERCA IN CORSO
FISICA FONDAMENTALE: L'ESPERIMENTO PVLAS (Responsabile nazionale dal 2008).
L' esperimento PVLAS, finanziato dalla commissione scientifica II dell’INFN e da un progetto PRIN2009, si propone di misurare direttamente la birifrangenza magnetica del vuoto indotta da un intenso campo magnetico. Tale effetto, previsto dalla QED, riguarda l'interazione fotone - fotone tramite l'effetto detto "polarizzazione del vuoto". La birifrangenza magnetica prevista dalla QED è ∆n/B2 = 3.96·10-24 T-2. Al momento l’effetto Casimir è l’unico effetto macroscopico dovuto all’energia di punto zero, che però, riguarda fotoni. L’osservazione della birifrangenza magnetica del vuoto sarebbe la prima osservazione macrosopica dell’energia di punto zero per particelle cariche.
Inoltre l'esperimento PVLAS potrà porre dei nuovi limiti, in laboratorio, sulla massa e costante di accoppiamento di nuove particelle neutre che si accoppiano a due fotoni. Tali particelle potrebbero contribuire alla materia oscura (Axion-Like Particles).
Al momento, tale esperimento ha fornito i migliori limiti mondiali sulla birifrangenza magnetica del vuoto (∆n = (12±17)·10^(-22) @ 2.5 T), un rumore statistico un fattore 7 dal valore previsto dalla QED, e di conseguenza sulla sezione d'urto fotone-fotone a bassa energia. Inoltre sono stati effettuate nuove, più precise, misure delle costanti di Cotton-Mouton in vari gas.
Questo esperimento è in fase di upgrade per cercare di migliorare ulteriormente la sensibilità ed arrivare alla prima misura diretta della birifrangenza magnetica del vuoto.

Attività/esperienza di Guido Zavattini:
- Progettazione, realizzazione e messa a punto del sistema di aggancio in frequenza di un laser Nd:YAG ad una cavità Fabry-Pérot ad alta finesse;
- Modifica dello schema Pound-Drever-Hall per l'aggancio in frequenza ad una cavità;
- Messa a punto di un ellissometro ad alta sensitività sfruttando una cavità Fabry-Pérot;
- Montaggio di un ellissometro dotato di una cavità con finesse maggiore di 6·105, di lunghezza fino a 6.4 metri;
- Misure della birifrangenza di specchi interferometrici;
- Misure di sensibilità dell'ellissometro;
- Utilizzo di un magnete superconduttore rotante di lunghezza 1 metro con campi fino a 6.5T;
- Analisi dati;
- Studio e conseguenze della birifrangenza intrinseca degli specchi di una cavità Fabry-Perot sulle misure di rotazione ed ellitticità;
- Caratterizzazione del rumore dell’esperimento e limiti di sensibilità;
- Studio dell'effetto sismico sulla sensibilità di un ellissometro e riduzione di vibrazioni;
- Utilizzo di magneti permanenti da 2.5 T di lunghezza di 90 cm, rotatanti fino a 20 Hz.

Attività in stand-by: FISICA MEDICA
Le indagini PET (Positron emission tomography) e SPECT (Single Photon Emission Tomography) permettono di fornire immagini funzionali di organi. Permettono di individuare, ad esempio, zone di tessuto cardiaco morto a seguito di infarti, malfunzionamenti dell'attività cerebrale oppure tessuti con attività metabolica particolarmente elevata (tumori). Queste patologie non sono rivelabili da indagini morfologiche quali radiografie convenzionali o risonanze magnetiche. Inoltre studi di espressioni geniche (molecular imaging) possono essere fatti con queste tecnologie.
La risoluzione spaziale e sensitività di tali apparati sono diventate tali da potere acquisire immagini anche di piccoli animali aprendo un nuovo ambito di utilizzo nella sperimentazione di nuovi farmaci con enormi potenzialità.
È stato studiato e sviluppato un prototipo di un nuovo tomografo PET per piccoli animali basato su rivelatori multistrato di silicio spesso (fino a 1.5 mm) a doppia faccia. Le simulazioni effettuate hanno mostrato che un tomografo basato su tali rivelatori porterebbe ad una risoluzione spaziale limitata solamente dal range del positrone, rendendo trascurabili effetti dovuti alla non colinearità dei gamma emessi e della profondità di interazione. Misure sul prototipo hanno verificato i risultati delle simulazioni.

Attività/esperienza di Guido Zavattini
- Simulazione Monte Carlo;
- Software di ricostruzione tomografica con metodi analitici ed iterativi;
- Studio e sviluppo dell’elettronica front-end e di acquisizione per rivelatori al silicio;
- Studio della logica di acquisizione di un rivelatore multistrato al silicio per PET;
- Studio dell'utilizzo di rivelatori multistrato al silicio a doppia faccia per raggiungere risoluzioni spaziali migliori di 1 mm e sensitività assoluta maggiori del 5%.

Attività di ricerca pregressa in ordine temporale (iniziando da quelle più recenti) sono state in
- PET/SPECT/CT ad alta risoluzione per piccoli animali
- ASTRONOMIA A RAGGI-X con i satelliti BeppoSAX (rivelatore PDS e GAMMA-RAY MONITOR) e INTEGRAL (rivelatore JEM-X)
- TOMOGRAFIA OTTICA DI FLUORESCENZA
- RIVELATORI PER NEUTRONI VELOCI
- ESPERIMENTO OBELIX
- TESI DI LAUREA SUL PRINCIPIO DI EQUIVALENZA (ESPERIMENTO GAL)

FISICA MEDICA (Ferrara, 1994 - passato recente)
Nell'ambito delle ricerche PET e SPECT, presso il Dip. di Fisica dell'Università di Ferrara, è stato progettato e realizzato un tomografo PET-SPECT per piccoli animali con alta risoluzione spaziale e sensitività sfruttando matrici di scintillatore YAP:Ce (Ytirum Aluminum Perovskite drogato con Cerio) accoppiate a fotomoltiplicatori sensibili alla posizione. Tale prototipo, capace di lavorare sia in PET che in SPECT, è stato il primo al mondo nel suo genere.
Tale strumento è stato inoltre integrato con un tomografo CT in modo da acquisire sia immagini funzionali che morfologiche in contemporanea. Il prototipo di CT-PET/SPECT è stato già provato su banco con successo.

Attività/esperienza:
PET (Tomografia a emissione di positroni)
- Utilizzo di un nuovo scintillatori (YAP:Ce) a matrice e photomoltiplicatori sensibili alla posizione;
- Misure delle caratteristiche dello scintillatore YAP:Ce;
- Sviluppo di rivelatori sensibili alla posizione per applicazioni PET;
- Realizzazione di un tomografo PET per piccoli animali;
- Collaudo del tomografo in collaborazione e presso l'Istituto San Raffaele di Milano;
SPECT (Tomografia ad emissione di singolo fotone);
- Modifiche al tomografo PET di Ferrara (YAPPET) per applicazioni in SPECT;
- Misure SPECT su fantocci e su topi e ratti in-vivo;
- Collaudo e sperimentazione di farmaci su animali in-vivo usando il tomografo in modalità SPECT;
- Ricostruzione d’immagini sia con metodo analitico che con metodo iterativo;
- Misure quantitative di attività in ratti in modalità SPECT;
- Miglioramento della risoluzione spaziale del tomografo mediante il sovra campionamento del campo di vista;
Tomografo integrato PET-SPECT
- Realizzazione di un tomografo integrato PET e SPECT per piccoli animali;
- Realizzazione di immagini simultanee in PET e SPECT con il tomografo YAP-(S)PET;

TOMOGRAFIA OTTICA DI FLUORESCENZA (University of California at Davis, USA, 2002 - 2003)
Presso la University of California, Davis, (durante il mio congedo) si è avviata una nuova tecnica di indagine in-vivo per piccoli animali sfruttando la luce di fluorescenza emessa da fluorofori che possono essere legati a molecole biologiche. Infatti la luce con lunghezza d'onda oltre circa 600nm viene principalmente diffusa dai tessuti biologici e non assorbita. Questo metodo offre il vantaggio che i fluorofori non decadono nel tempo, come i radionuclidi per PET e SPECT, permettendo di seguire processi a lungo termine. Inoltre sono sostanze non radioattive.

Attività/esperienza:
- Studio di fattibilità;
- Progettazione dell'apparato;
- Realizzazione dell'apparato;
- Misure iperspettrali e deconvoluzione spettri di emissione;
- Analisi dati e immagini di fantocci e animali.

ASTRONOMIA X
Collaborazione in BeppoSAX (Ferrara, 1994 - 1999)
Il satellite BeppoSAX, lanciato con successo in Aprile 1996, è stato un satellite dedicato all'astronomia X nell'intervallo di energia 0.1 - 300 keV capace di fornire immagini del cielo e di fare spettroscopia di varie sorgenti. Inoltre era dotato di un gamma-ray burst monitor (20 keV - 600 keV) che ha permesso la scoperta delle controparti X dei misteriosi gamma-ray bursts.
Rivelatore PDS (Phoswich Detector System) del satellite BeppoSAX è stato sviluppato e calibrato in collaborazione con il gruppo di Ferrara. Il PDS era il rivelatore a campo stretto di raggi-X per la banda di energia fra 15 keV – 300 keV basato su scintillatori al ioduro di sodio e ioduro di cesio. Le schermature attive del PDS, composte di ioduro di cesio, costituivano il gamma-ray burst monitor (20 - 600 keV).

Attività/esperienza:
Sviluppo del rivelatore PDS:
- Calibrazione in energia del rivelatore complessivo presso la LABEN, Milano;
- Calcolo, via Monte Carlo, della matrice di risposta del sistema PDS;
- Calibrazione in energia e direzionalità del gamma-ray burst monitor presso ESTEC, The Netherlands.
Gamma ray bursts (1996 - 1999):
- Partecipazione alle misure ed alle analisi delle calibrazioni del gamma-ray burst monitor;
- Partecipazione alle campagne di misure e contributo all’analisi che hanno portato alla scoperta delle controparti X dei gamma-ray bursts.

FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE DELLE ENERGIE INTERMEDIE (Bologna 1990 - 1993, Dottorato di ricerca)

Misura di neutroni veloci.
Sono stati sviluppati due sistemi di rivelatori per neutroni veloci:
Il primo era un sistema di quattro rivelatori a scintilaltore liquido NE213, con discriminazione n- che permetteva la rivelazione di fiotti di neutroni veloci entro una finestra temporale di pochi nansecondi;
Il secondo, più lento, era uno spettrometro basato su uno scintillatore liquido NE213 accoppiato a vetri scintillatore drogati al 7Li per la cattura di netroni termalizzati. Tali vetri scintillatori producevano un segnale ritardato rispetto al segnale ‘prompt’ che permetteva, inoltre, un secondo stadio di discriminazione sulla forma dell’impulso. Tale spettrometro è stato prima calibrato in energia usando la tecnica del ‘tempo di volo’ e quindi, dato il suo fondo estremamente ridotto, utilizzato per la misura del fondo di neutroni veloci presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso.
Tali sistemi erano stati sviluppati allo scopo di misurare, presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, i neutroni veloci (2.5 MeV) eventualmente rilasciati da campioni di metalli e composti caricati con deuterio sia per via eletttrolitica che a pressione.

Attività/esperienza:
- Sviluppo a Bologna di uno spettrometro, a scintillatore liquido, per neutroni veloci con un doppio stadio di discriminazione n-gamma;
- Calibrazione dello spettrometro mediante la tecnica del tempo di volo;
- Simulazione del rivelatore mediante Monte Carlo scritto ad hoc;
- Messa a punto di un sistema di rivelazione per neutroni veloci emessi a fiotti e/o in continua;
- Misure del flusso e spettro di neutroni veloci nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sala C;
- Ricerca di emissione di neutroni successiva all'inmissione di deuterio in metalli effettuate presso i Lab. Naz. del Gran Sasso dell'INFN.

Esperimento Obelix
Il programma dell'esperimento OBELIX è lo studio del meccanismo di annichilazione di antiprotoni ed antineutroni su nuclei, la spettroscopia di mesoni leggeri "ordinari" ed "esotici", la verifica di simmetrie fondamentali.
Attività/esperienza:
- Partecipazione alla costruzione del calorimetro elettromagnetico di OBELIX.

TESI DI LAUREA - ESPERIMENTO GAL (Pisa 1988-1989)
Esperimento per la verifica dell'equivalenza fra massa inerziale e massa gravitazionale.
Lo scopo dell'esperimento era di mettere in evidenza una differenza relativa dell'accelerazione gravitazionale fra sostanze diverse al livello di ∆g/g < 10-10.
Attività/esperienza:
- Sviluppo a Pisa di un collimatore per la misura del parallelismo fra fasci laser;
- Sviluppo al CERN di un interferometro con bracci paralleli verticali lunghi 7m;
- Attività di ottica e meccanica di precisione;
- Studio di sistematici nella fase di sgancio del grave.