Progetti 2025

1. Microscopia ottica e diffusione anomala

Contesto: le dinamiche di diffusione anomala rappresentano deviazioni dal moto Browniano spesso osservate nello studio dei meccanismi di migrazione cellulare e del trasporto intracellulare di virus, recettori, nanostrutture, motori molecolari. L'identificazione del tipo di moto e la quantificazione dei parametri caratteristici del processo possono essere effettuate con tecniche di microscopia ottica e l'analisi statistica delle traiettorie ricostruite sperimentalmente.

Sfida: mettere a punto un protocollo di acquisizione di immagini al microscopio ottico e di ricostruzione e analisi delle traiettorie che, applicato poi a dataset di microscopia di fluorescenza, consenta l'indagine quantitativa di fenomeni di trasporto anomalo (come il moto Browniano persistente) su scala cellulare.

Risultato: studio di moti anomali di tipo (sub- e) super-diffusivo di interesse biofisico. Su scala macroscopica, la stessa analisi potrà anche essere applicata a traiettorie tratte da database di ambiti diversi, come etologia, sociologia o matematica finanziaria, dove le traiettorie di caccia di varie specie animali, i viaggi su scala continentale o le fluttuazioni statistiche degli andamenti azionari sono descritti da analoghi modelli teorici di sub- e super-diffusione (moto browniano frazionario, voli di Lévy…).

2. Una camera a nebbia

Contesto: ogni particella carica interagisce con la materia perdendo energia ionizzando gli atomi dei materiali che attraversa. In un ambiente sovrasaturo di vapore questa interazione può dare luogo ad una scia di condensazione intorno alla traiettoria delle particelle, dove il lieve eccesso di energia da esse depositato genera una perturbazione locale delle condizioni termodinamiche.

Sfida: partendo dal rivelatore sviluppato nell’edizione passata, costruire un rivelatore raffreddato con celle Peltier che sia in grado di visualizzare il passaggio di particelle cariche ed equipaggiarlo con sistema di rilevazione di queste tracce con algoritmi di identificazione basati su strumenti di machine learning.

Risultato: osservazione del passaggio di particelle cariche in un gas e identificazione automatica degli eventi avvenuti.

3. Inferenza a bassa latenza con FPGA

Contesto: Field Programmable Gate Arrays (FPGA) sono dispositivi logici programmabili che stanno suscitando un crescente interesse grazie alla loro capacità di implementare algoritmi di Machine Learning con bassa latenza e ridotto consumo energetico. Queste caratteristiche li rendono particolarmente adatti sia in ambito scientifico — ad esempio per il processamento dei dati al primo livello di selezione in un rivelatore — sia in ambito industriale, dove sono impiegati in applicazioni che richiedono prestazioni elevate in tempo reale, come il controllo di processo, la visione artificiale o la manutenzione predittiva.

Sfida: a partire da un campione di controllo contenente dati di segnale e di fondo, implementare un classificatore basato su un Boosted Decision Tree (BDT) con l’obiettivo di identificare eventi di segnale, che funzioni su una scheda FPGA da scrivania. Qualora il tempo a disposizione lo consenta, si realizzerà anche una rete neurale (NN) per affrontare lo stesso compito, e si confronteranno le prestazioni dei due algoritmi.

Risultato: impiego di modelli di machine learning su FPGA per applicazioni in tempo reale.

4. Pickup e sensori di vibrazione

Contesto: l’induzione elettromagnetica è alla base di dispositivi che convertono vibrazioni meccaniche in segnali elettrici, come microfoni dinamici, geofoni e pickup per strumenti elettrici. Altri, come gli altoparlanti, fanno il processo inverso: trasformano segnali elettrici in vibrazioni acustiche. Tutti sfruttano l’interazione tra magneti e bobine, applicando le leggi di Faraday e Ampère in modo pratico.

Sfida: realizzare in laboratorio uno di questi dispositivi partendo da materiali semplici e componenti comuni. Dopo l’assemblaggio, testarne il funzionamento, identificare eventuali limiti e proporre miglioramenti. È possibile integrare circuiti di amplificazione o semplici algoritmi di filtraggio per ottimizzare l’output.

Risultato: un prototipo di uno dei dispositivi descritti. Valore aggiunto se il dispositivo riesce a generare o rilevare segnali in modo stabile ed efficace.

5. Esperimenti di fisica moderna

Contesto: Due esempi di esperimenti alla portata di tutti per mettere in luce alcuni aspetti controintuitivi della meccanica quantistica.

Sfida: Semplificare la comprensione di fenomeni con trattazione teorica molto formale

Risultato: dimostrare il principio di Huygens mostrando che fra, sorgente e ricevitore, la luce “prova” tutti i cammini con laser, reticoli di diffrazione, specchi e webcam e misura della costante di Plank utilizzando LED colorati.

6. La macchina di Wimshrust

Contesto: la macchina di Wimshurst è uno strumento per la generazione di differenze di potenziale a partire da lavoro meccanico sviluppata alla fine del diciannovesimo secolo.

Sfida: utilizzando materiali di uso comune e stampati 3D progettare e realizzare un modello funzionante della macchina.

Risultato: accumulo di cariche e conseguente generazione di differenze di potenziale.

7. Telescopio per raggi cosmici a lettura multipla

Contesto: i raggi cosmici che raggiungono la superficie terrestre sono costituiti principalmente da muoni, prodotti negli strati superiori dell’atmosfera a seguito dell’interazione tra particelle cariche di origine cosmica e i gas atmosferici.

Sfida: realizzare un rivelatore di muoni basato sull’energia depositata dai muoni in uno scintillatore plastico accoppiato otticamente a più sensori di luce. I segnali provenienti da tutti i sensori saranno acquisiti simultaneamente, consentendo, tramite un’analisi dedicata, la ricostruzione della posizione di interazione della particella incidente. Il sistema verrà inizialmente caratterizzato mediante sorgenti gamma, per poi essere impiegato nello studio del flusso di raggi cosmici.

Risultato: acquisizione simultanea da più sensori di luce e determinazione del flusso di raggi cosmici a livello del suolo, con ricostruzione della posizione di impatto dei muoni nel rivelatore.

8. Didattica della fisica in 3D

Contesto: la tecnologia della realtà virtuale immersiva può essere un potente strumento di visualizzazione e comprensione della fisica e nuove tecnologie permettono di costruire simulazioni efficaci e verosimili.

Obiettivo: sviluppo di una applicazione didattica di dimostrazione di concetti di fisica fondamentale scelti durante il progetto, in collaborazione con il dipartimento di psicologia del nostro Ateneo, nel contesto di una suite educativa dedicata a studenti delle scuole superiori.

Risultati: implementazione della descrizione di un percorso tridimensionale immersivo dedicato ad uno specifico argomento.

9. Rivelatore di muoni con lampade al neon

Contesto: i muoni, scoperti nel secolo scorso, sono ancora oggi un strumento di indagine fondamentale per la fisica delle particelle e astroparticellare. Ogni secondo attraverso una superficie di 1 decimetro quadro passa un muone generato da raggi cosmici. La costruzione di un rivelatore di muoni con materiali semplici (e.g. tubi al neon) permette di capire li funzionamento di un rivelatore a gas come esempio delle strumentazioni usate in grandi esperimenti.

Obiettivo: costruire un rivelatore di muoni con tubi al neon come materiale sensibile, ideare e costruire un metodo efficiente per osservarne il funzionamento.

Risultati: eseguire prime misure quantitative con l’apparato costruito.

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