Subleading corrections to parity-violating pion photoproduction

We compute the photon asymmetry Bγ for near threshold parity-violating (PV) pion photoproduction through subleading order. We show that subleading contributions involve a new combination of PV couplings not included in previous analyses of hadronic PV. We argue that existing constraints on the leading order contribution to Bγ—obtained from the PV γ-decay of 18F—suggest that the impact of the subleading contributions may be more significant than expected from naturalness arguments

Chiral Symmetry and the Parity-Violating NNπNN\pi Yukawa Coupling

We construct the complete SU(2) parity-violating (PV) $\pi, N, \Delta$ interaction Lagrangian with one derivative, and calculate the chiral corrections to the PV Yukawa $NN\pi$ coupling constant $h_\pi$ through ${\cal O}(1/\Lambda_\chi^3)$ in the leading order of heavy baryon expansion. We discuss the relationship between the renormalized \hpi, the measured value of \hpi, and the corresponding quantity calculated microscopically from the Standard Model four-quark PV interaction.Comment: RevTex, 26 pages + 5 PS figure

Recoil Order Chiral Corrections to Baryon Octet Axial Currents

We calculate chiral corrections to the octet axial currents through ${\cal O}(p^3)$ using baryon chiral perturbation theory (BCPT). The relativistic BCPT framework allows one to sum an infinite series of recoil corrections at a given order in the chiral expansion. We also include SU(3)-breaking operators occuring at ${\cal O}(p^2)$ not previously considered. We determine the corresponding low-energy constants (LEC's) from hyperon semileptonic decay data using a variety of infrared regularization schemes. We find that the chiral expansion of the axial currents does not display the proper convergence behavior, regardless of which scheme is chosen. We explore the implications of our analysis for determinations of the strange quark contribution to the nucleon spin, $\Delta s$.Comment: RevTex, 19 pages + 2 PS figure

Density Functional Theory: Methods and Problems

The application of density functional theory to nuclear structure is discussed, highlighting the current status of the effective action approach using effective field theory, and outlining future challenges.Comment: 10 pages, 14 figures, invited talk at INT workshop on Nuclear Forces and the Quantum Many-Body Problem, Seattle, October 200

A Design Approach of Off-grid Hybrid Electric Microgrids in Isolated Villages: A Case Study in Uganda

Abstract Rural electrification in isolated areas of developing countries can be considered a pivotal factor for economic and social growth, moreover the absence of electricity grid in villages leads to an elevated usage of diesel generators that entails large costs and high CO 2 emissions. This paper presents a design methodology and economical evaluation to implement a hybrid power system composed of a photovoltaic power plant, electrical storage and a backup system of diesel generators in an isolated village in Uganda named Ntoroko. Results show that the usage of battery storage is economically crucial, particularly in areas with a low daily electrical consumption and peak loads increasing in the early morning and late evening when the solar radiation is lower and PV array has a reduced power production. Results disclose that the optimal configuration of the hybrid system (PV-storage-diesel generators), despite its high investment cost, presents an economic benefit of 25.5 and 22.2% compared to the usage of only PV array and diesel generators and only diesel generators and a reduction of fuel consumption equal to 74.7 and 77%, respectively

Analisi della Risposta Sismica Locale di San Giuliano di Puglia

È ormai ampiamente riconosciuto che la risposta sismica locale ha una sensibile influenza su distribuzione ed amplificazione dello scuotimento sismico e, conseguentemente, sul danneggiamento indotto dai terremoti. Nel lavoro di tesi, dal titolo “Analisi della Risposta Sismica Locale di San Giuliano di Puglia”, il candidato presenta uno studio molto ampio ed approfondito della risposta sismica del centro urbano che rappresenta finora la case history più documentata e significativa in Italia. Il lavoro di ricerca è inquadrato nel “Progetto S3 - Scenari di scuotimento in aree di interesse prioritario e/o strategico” promosso dall’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) per conto del Dipartimento della Protezione Civile (DPC), coordinato dalla Dr.ssa Francesca Pacor (INGV, Milano) e dal Prof. Marco Mucciarelli (Università della Basilicata). Il Progetto di ricerca si pone come obiettivo generale l’analisi di scenari di scuotimento e di danno in alcune aree italiane, nel caso di accadimento del terremoto massimo credibile (Maximum Credible Earthquake). Tra le aree di validazione è individuata quella di San Giuliano di Puglia, particolarmente danneggiato dalla sequenza sismica del Molise nel 2002, il cui vento principale (31 ottobre) è caratterizzato da una magnitudo momento pari a 5.8. Nell’area sono presenti diversi centri abitati, tra i quali San Giuliano di Puglia che, sebbene non fosse meno distante di altri dagli epicentri, è stato quello maggiormente danneggiato. Infatti, dopo gli eventi sismici, a San Giuliano di Puglia è stato osservato un grado di danneggiamento pari al VIII-IX grado sulla base della scala MCS, mentre negli altri Comuni la stima è stata al limite pari al VII (Stucchi et al., 2007). Il motivo di tale discrepanza è da ricercarsi negli importanti fenomeni di amplificazione sismica locale che hanno interessato le aree di più recente costruzione di San Giuliano di Puglia; queste sono state edificate, a partire dagli anni ’40, su un deposito di marne argillose di spessore pari ad alcune centinaia di metri. Tale deposito è a contatto con una formazione flyschoide, affiorante al di sotto del nucleo originario dell’abitato, dove è stato osservato un danneggiamento di grado inferiore. Dopo un’analisi preliminare della letteratura con riferimento a casi di studio nazionali che internazionali di carattere simile, la prima parte del lavoro di ricerca è dedicata allo studio della pericolosità sismica del sito, con riferimento a dati storici e, soprattutto, strumentali, acquisiti nel corso della recente sequenza. A tal fine, sono state analizzate le registrazioni della rete accelerometrica mobile installata da DPC nel centro urbano di San Giuliano di Puglia; tali registrazioni, interpretate in termini di fattori di amplificazione e rapporti spettrali, hanno permesso di verificare amplificazioni sismiche molto elevate nell’intero campo di frequenze in cui può essere ascritto il patrimonio edilizio del paese. Nell’ambito del Task 1 del Progetto S3, sono stati esaminati circa 2000 sismogrammi registrati dalla RAN (Rete Accelerometrica Nazionale) e dalle reti mobili installate nell’area epicentrale alcuni giorni dopo il mainshock. Queste analisi hanno consentito la calibrazione di leggi di attenuazione specifiche per l’area di studio (Luzi et al., 2006) e la simulazione numerica dell’evento del 31 ottobre (Franceschina et al., 2006). La seconda parte della tesi ha riguardato la definizione del modello geologico di sottosuolo per l’analisi di risposta sismica locale. I diversi studi geologici in merito (cfr. Baranello et al., 2003; Melidoro, 2004 e Guerricchio, 2005; Giaccio et al., 2004; Strollo et al., 2006) suggeriscono diverse ipotesi in merito alla morfologia profonda delle formazioni geologiche principali, il flysch di Faeto e le marne argillose di Toppo Capuana. Queste corrispondono, in buona sostanza, a diversi andamenti in profondità del contatto tra formazione argillo-marnosa ed il substrato flyschoide, identificati con altrettanti modelli geometrici di sottosuolo (basin, wedge, anvil). Tale fattore risulta fortemente influente sulla risposta sismica locale alle basse frequenze. Le ipotesi sono state verificate con riferimento ai risultati delle indagini geofisiche profonde, eseguite nell’area di San Giuliano di Puglia nell’ambito del Progetto S3; queste sono consistite in 3 inversioni tomografiche geoelettriche (Piscitelli, 2007), una campagna gravimetrica di dettaglio (Palmieri et al., 2006) e 2 linee sismiche a riflessione (Böhm, 2007). Sempre nell’ambito del Progetto S3, i risultati di queste indagini hanno consentito la costruzione di un modello geologico strutturale 3D dell’area (Caputo et al., 2007). La terza parte ha riguardato la definizione del modello geotecnico di sottosuolo per l’analisi di risposta sismica locale. Si è provveduto alla raccolta ed analisi di tutte le indagini geotecniche eseguite nel centro abitato, con particolare riferimento alla campagna del DPC per conto della Procura di Larino (Baranello et al., 2003), che ha consentito un’adeguata caratterizzazione geotecnica dell’unità argillosa. Durante questa campagna, nel 2003, sono state eseguite 11 prove down-hole e 3 prove cross-hole spinte anche oltre i 30 m di profondità, e, sui campioni di terreno prelevati, diversi laboratori hanno eseguito, oltre alle usuali prove di classificazione, numerose prove di compressione edometrica e isotropa, triassiali non drenate e di taglio torsionale ciclico e dinamico (Silvestri et al., 2006). I parametri meccanici attribuiti all’unità flyschoide provengono invece un’unica prova down-hole, eseguita nel corso della vasta campagna geognostica (2004-5) per la ricostruzione del paese. Il gran numero di sondaggi nell’intero centro urbano ha permesso una descrizione molto dettagliata della stratigrafia delle marne argillose di Toppo Capuana, il cui spessore più superficiale (mediamente fino a circa 10 m di profondità), si presenta caratterizzato da un alto grado di weathering e da un sensibile contrasto di impedenza sismica con le sottostanti argille intatte. L’eterogeneità della stratigrafia in direzione verticale ed orizzontale è stata rappresentata con diversi livelli di dettaglio, cioè assimilando la formazione superficiale ad un materiale omogeneo, oppure suddiviso in due strati, con spessori costanti oppure considerandone la variabilità con criteri geostatistici; tale approccio ha permesso di valutare l’influenza sull’amplificazione delle frequenze medio alte (oltre i 5 Hz) del dettaglio stratigrafico nella caratterizzazione dell’unità argillosa degradata. Nella quarta parte, il candidato presenta i risultati delle simulazioni numeriche 2D agli elementi finiti (codice QUAD4M), eseguite allo scopo di confrontare le diverse ipotesi formulate sull’andamento del bedrock e sulla stratigrafia superficiale, e validarle in base alle registrazioni strumentali. Come moti di riferimento sono state assunte due registrazioni della rete accelerometrica mobile di San Giuliano di Puglia, effettuate sulla formazione flyschoide nel corso degli aftershocks occorsi il 12 novembre (M=5.2) ed il 2 dicembre (M=4.0). Lo scuotimento in superficie simulato dalla modellazione numerica è confrontato, in termini sia di parametri sintetici del moto (accelerazioni di picco, intensità di Housner), sia di spettri di risposta, con le rispettive registrazioni eseguite alla superficie dell’unità argillosa e del flysch. L’ultima parte della tesi descrive lo scenario di scuotimento e di danno nel centro abitato indotto dal mainshock del 31 ottobre. Le simulazioni numeriche dello scuotimento sono state eseguite sui modelli di sottosuolo 2D elaborati lungo una sezione che attraversa l’asse longitudinale del centro urbano e validati nella fase precedente. I parametri del moto sono stati confrontati sia con quelli ottenuti tramite analisi 3D con il metodo degli elementi pseudo-spettrali (FPSM) lungo la medesima sezione (Klin e Priolo, 2007), e raffrontati con le amplificazioni registrate dalle stazioni accelerometriche mobili di San Giuliano di Puglia durante le scosse di assestamento. Le distribuzioni del danno corrispondenti alle analisi 2D e 3D sono state elaborate a partire dallo scuotimento, attraverso una correlazione tra l’intensità di Housner e quella macrosismica, espressa secondo la scala MCS (Mucciarelli et al., 2007). Gli scenari di danno così ottenuti hanno mostrato un buon accordo con quello osservato all’indomani della crisi sismica da Dolce et al. (2004). I risultati degli studi interdisciplinari sul centro urbano di San Giuliano di Puglia hanno quindi rappresentato una favorevole occasione per mettere a punto metodologie di previsione numerica di risposta sismica locale, evidenziandone la sensibilità a fattori geometrici e meccanici. La ricerca ha offerto inoltre la possibilità di esprimere i risultati di tali simulazioni in termini di grandezze significative per la rappresentazione del danno ai manufatti

Frequency variation in site response as observed from strong motion data of the L’Aquila (2009) seismic sequence

Previous works based mainly on strong-motion recordings of large Japanese earthquakes showed that site amplification and soil fundamental frequency could vary over long and short time scales. These phenomena were attributed to non-linear soil behaviour: the starting fundamental frequency and amplification were both instantaneously decreasing and then recovering for a time varying from few seconds to several months. The recent April 6, 2009 earthquake (M W 6.3), occurred in the L’Aquila district (central Italy), gave us the possibility to test hypotheses on time variation of amplification function and soil fundamental frequency, thanks to the recordings provided by a pre-existing strong-motion array and by a large number of temporary stations. We investigated the intra- and inter-event soil frequency variations through different spectral analyses, including time-frequency spectral ratios and S-Transform (Stockwell et al. in IEEE Trans Signal Process 44:998–1001, 1996). Finally, analyses on noise recordings were performed, in order to study the soil behaviour in linear conditions. The results provided puzzling evidences. Concerning the long time scale, little variation was observed at the permanent stations of the Aterno Valley array. As for the short time-scale variation, the evidence was often contrasting, with some station showing a time-varying behavior, while others did not change their frequency with respect to the one evaluated from noise measurements. Even when a time-varying fundamental frequency was observed, it was difficult to attribute it to a classical, softening non-linear behaviour. Even for the strongest recorded shocks, with peak ground acceleration reaching 0.7 g, variations in frequency and amplitude seems not relevant from building design standpoint. The only exception seems to be the site named AQV, where the analyses evidence a fundamental frequency of the soil shifting from 3 Hz to about 1.5 Hz during the mainshock

Record Processing in ITACA, the New Italian Strong-Motion Database

The development of the new Italian strong-motion database ITACA (ITalian AC-celerometric Archive, http://itaca.mi.ingv.it) is in progress under the sponsorship of the National Department of Civil Protection (DPC) within Project S4, in the framework of DPC-INGV 2007–2009 research agreement. This work started from the alpha version of ITACA [8], where 2,182 3-component records from 1,004 earthquakes, mainly recorded by the National Accelerometric Network, RAN, operated by DPC, were processed and included in the database. Earthquake metadata, recording station information and reports on the available geologicalgeophysical information of 452 recording sites, corresponding to about 70% of the total, were also included. Subsequently, ITACA has been updated and will reach its final stage by the end of Project S4, around mid-2010, with additional features, improved information about recording stations, and updated records, including the Mw6.3 L’Aquila earthquake. All records were re-processed with respect to the alpha version [9], with a special care to preserve information about late-triggered events and to ensure compatibility of corrected records, i.e., velocity and displacement traces obtained by the first and second integral of the corrected acceleration should not be affected by unrealistic trends. After a short introduction of ITACA and its most relevant features and statistics, this paper mainly deals with the newly adopted processing scheme, with reference to the problems encountered and the solutions that have been devised

Ground Motion Prediction Equations Derived from the Italian Strong Motion Database

We present a set of ground motion prediction equations (GMPEs) derived for the geometrical mean of the horizontal components and the vertical, considering the latest release of the strong motion database for Italy. The regressions are performed over the magnitude range 4–6.9 and considering distances up to 200 km. The equations are derived for peak ground acceleration (PGA), peak ground velocity (PGV) and 5%-damped spectral acceleration at periods between 0.04 and 2 s. The total standard deviation (sigma) varies between 0.34 and 0.38 log10 unit, confirming the large variability of ground shaking parameters when regional data sets containing small to moderate magnitude events (M < 6) are used. The between-stations variability provides the largest values for periods shorter than 0.2 s while, for longer periods, the between-events and between-stations distributions of error provide similar contribution to the total variabilit

Interpretation of microtremor 2D array data using Rayleigh and Love waves: the case study of Bevagna (central Italy)

In the last decades, geophysicists and seismologists have focused their attention on the inversion of empirical surface-waves’ dispersion curves from microtremor measurements for estimating the Swaves velocity structure at a site. This procedure allows a fast and convenient investigation without strong active sources, which are difficult to deploy especially in urban areas. In this study we report on a 2D seismic noise array experiment carried out at Bevagna (Central Italy) near the station BVG of the Italian Accelerometric Network (RAN). The site was investigated within the DPC-INGV S4 Project (2007-2009). The Rayleigh- and Love- waves dispersion characteristics were estimated using different methods. The inversion of the dispersion curves was then performed independently, obtaining two estimations for the S-waves velocity profiles. The results of cross-hole logging near the seismic station are used for a comparison. The shear waves velocity profiles estimated by microtremor analyses range up to 150m depth. The two independent procedures provide consistent shear waves velocity profiles for the shallow part of the model (20-30 m in depth) in agreement with the results of the cross-hole logging. Some problems arise between 30 and 40 m in depth in the profile estimated by surface waves. In this range cross-hole logging evidences an inversion of S-waves velocity. Although the cross-hole logging stops at 40 m of depth, we are confident about the results provided by the Rayleigh-waves analysis below 40-50 m. This case study suggests that greater efforts should be devoted to exploit the potential of a coupled analysis of Rayleigh and Love waves from microtremor array measurements