Le tesi magistrali che proponiamo richiedono circa otto mesi di lavoro a tempo pieno.

Ultimo aggiornamento 16/05/2025, prossimo aggiornamento 16/06/2025

Referenti: M. Dinardo, P. Dini, S. Gennai, A. Ghezzi, S. Malvezzi, A. Massironi, L. Moroni, P. Govoni, M. Paganoni, D. Pedrini, T. Tabarelli de Fatis

L’esperimento CMS è installato lungo l’anello di accelerazione LHC al CERN di Ginevra e misura soprattutto eventi prodotti dalle collisioni di fasci di protoni circolanti in senso antiorario contro fasci di protoni circolanti in senso orario nell’acceleratore. In questo modo si realizzano collisioni artificiali più energetiche mai prodotte, consentendo di studiare il Modello Standard delle Interazioni Fondamentali con sistematicità a scale mai investigate in precedenza. Le tesi proposte coprono un ampio spettro di argomenti: dall’analisi statistica dei dati, allo studio di funzionamento del rivelatore, alla preparazione di importanti upgrade previsti per la fase di acquisizione ad alta luminosità. Gli argomenti di tesi disponibili includono:

1. Design and characterization of ultra-high radiation-tolerant pixel detectors for the high-luminosity upgrade of CMS - Referenti: M. Dinardo, S. Gennai, L. Moroni.
   For the high-luminosity upgrade of LHC (HL-LHC), the entire Silicon pixel detector of CMS must be re-designed. The new detector must withstand a radiation dose at least 10 times greater and must feature a granularity 6 times finer than the present detector. The new prototypes that we have developed, in planar and 3D technology, are extremely promising. We now need to characterize their final version with beam tests and to simulate their performance in CMS to choose the best technology.
2. Application of state-of-the-art artificial intelligence algorithms to the Higgs boson self-coupling measurement - Referenti: M. Dinardo, S. Gennai, S. Malvezzi.
   After the discovery of the Higgs boson by the ATLAS and CMS collaborations in 2012, the collective efforts of the high energy physics community have been focused on a precise characterization of this particle. In this context, HH searches play a fundamental role as they represent the favorite channel to measure the Higgs boson trilinear self-coupling (HHH). Only three parameters, the Higgs boson mass (mH), the vacuum expectation value, and the Higgs trilinear coupling (HHH), shape the Higgs field potential in the Standard Model and the last one is the only remaining that has not been directly measured experimentally. Its determination is a crucial point for a proper understanding of the spontaneous electroweak symmetry breaking, which is at the base of the mechanism that gives masses to bosons and fermions. At the same time, any deviation from the theoretical predictions of the Standard Model would lead to sizeable changes in both the kinematics and in the production rate of HH events thus making double Higgs searches extremely sensitive to New Physics effects. The bb tau tau final state represents one of the most interesting channels to explore double Higgs processes, because of the high branching ratio and the relatively small background contamination.
3. Search for Flavour Changing Neutral Current decays of B0 mesons with machine-learning-based analysis techniques - Referenti: M. Dinardo, P. Dini, S. Malvezzi, D. Pedrini.
   After completion of the first phase of the LHC program, the particle field entered into a new exploratory era. The flavor sector, being sensitive to high physics scale, opens a window on possible beyond Standard Model indirect effects in rare processes such as FCNC (Flavour Changing Neutral Current) B0 to Kaon*0 lepton lepton. The ability of the CMS experiment to make precision heavy flavors measurements has been demonstrated by the results from Run-I and Run-II data performed by our group.
4. Anomaly Detection methods for high energy physics processes - Referenti: S. Gennai, P. Govoni.
   CMS produced extraordinary measurements related to Standard Model processes. Unfortunately, to date, there are no hints of so-called “new physics”, i.e. physics beyond the Standard Model. One possible explanation is that we are not looking at the data in the right way. All analyses that have been conducted up to now were based on projections of particular theoretical models, therefore it’s mandatory to complement these “standard” analyses with other “non-standard” ones, that are capable of detecting deviations from the Standard Model without the need of having any a-priory. Unsupervised Learning techniques have been demonstrated to be a powerful tool to be used for such agnostic searches.
5. A novel precision timing detector for the CMS Phase2 upgrade - Referenti: T. Tabarelli, A. Ghezzi, A. Benaglia, F. De Guio, M. Lucchini, M. Malberti.
   To help meet the challenge of high luminosity and fully harvest the benefits of the enormous amount of collisions the HL-LHC will provide, detectors will undergo significant upgrades. In particular, a new dedicated timing layer, the MIP Timing Detector (MTD), will be added to CMS to provide track timing information with unprecedented precision at high energy physics experiments (30-40 ps). The candidate will contribute to the development and characterization of the MTD Barrel Timing Layer (BTL) sensors, including module prototyping, system tests and performance studies with particle beams.
6. 4D event reconstruction with the MIP Timing Detector at CMS - Referenti: T. Tabarelli, A. Ghezzi, A. Benaglia, F. De Guio, M. Lucchini, M. Malberti.
   Within the upgrade program of the CMS experiment for the HL-LHC data taking, the installation of a new timing detector to measure the time of minimum ionizing particles (MIPs) with a time resolution of ~30-40 ps is planned. The time information of the tracks from this new MIP Timing Detector (MTD) will improve the rejection of spurious tracks and vertices arising from the expected harsh pile-up conditions from machine operation and offer novel opportunities for particle identification. The candidate will contribute to develop 4D event reconstruction and exploit precision timing in searches and Higgs boson characterization with modern computing techniques
7. ML4ECAL and Transparency - Referenti: A. Massironi
   The crystals of the CMS Electromagnetic Calorimeter (ECAL) change their response with time due to short-term radiation and ageing effects. Although it is constantly monitored, the possibility to extrapolate it with short time scale into the future is a key ingredient to improve the performance on the identification and reconstruction of electrons and photons, so that they can be used in the on-line event filtering (trigger), for the LHC CMS Run III data-taking that started in 2022. The student will analyze data from LHC CMS Run II and Run III and build a Machine Learning (ML) architecture in order to predict the ECAL response evolution. The Long Short-Term Memory (LSTM) architecture will be developed, optimized, trained and validated. Implication of the improved performance for physics studies with scouting data will be part of the thesis.
8. Machine Learning for non-prompt leptons - Referenti: A. Massironi
   One of the major limitations in CMS searches concerning leptons is the correct estimation of non-prompt contribution in the signal phase space. The proposed thesis concentrates on the development of a Machine Learning technique in order to estimate and apply the non-prompt probability. The work will be carried on with MC samples and real data of CMS Run II. An application of the new developed technique will be performed on Vector Boson Scattering (VBS) searches.
9. ECAL, noise and pileup - Referenti: A. Massironi
   The increased effective noise in the CMS Electromagnetic Calorimeter (ECAL) observed in Run 2 and predicted in Run 3 is becoming an important source of uncertainty in the energy reconstruction for photons and electrons, as well as for the reconstruction of jets relying heavily on the electromagnetic component. A careful analysis of the pulses reconstruction and available variables can be used to suppress the noise contribution and then improve objects reconstruction. Application of the improved objects reconstruction on a physics analysis can be foreseen (LM).
   New clustering algorithms based on ML (CNN/GNN) at crystal level can be developed. Another approach is PAL, Pileup Aware Local reconstruction, that exploits images of different bunch crossings to isolate pileup contribution.  (LM).
10. ECAL and energy regression - Referenti: A. Massironi
    The response evolution and discrepancies between data and simulation require require a change of paradigm in the energy regression, not only targeting the best energy resolution but also minimizing the differences between data and simulation. New ML approaches, such as adversarial network can be exploited for this purpose (LM).
11. Search for beyond the standard model physics through the phenomenological study of effective field theory (EFT) CP-violating operators of dimension 6 to understand the matter anti-matter asymmetry of the universe.
    Vector Boson Scattering (VBS) are purely electroweak processes that have a strong connection with the Higgs boson. Hence, VBS are useful tools to test the electroweak sector of the standard model. Their investigation may also lead to the discovery of hints of new physics. VBS are among the rarest processes at LHC, and their observations have become accessible only recently thanks to the data set collected during Run II. This thesis proposal aims at studying new observables in VBS processes to constrain CP-violating dimension 6 EFT operators, understanding the interplay among the various channels to concur to the final limit. A comparison with standard model diboson channels would be performed as well, to assess the sensitivity of VBS channels.
12. Implementing Machine Learning techniques in the Vector Boson Scattering production channel with two W bosons of opposite charge decaying into leptons to search beyond the standard model physics in the effective field theory (EFT) approach. Vector Boson Scattering (VBS) is a purely electroweak process with a strong connection with the Higgs boson physics and a fundamental tool to test the electroweak sector of the standard model. Its investigation may also lead to the discovery of hints of new physics. It is among the rarest processes at LHC, and its observation has become accessible only recently thanks to the data set collected so far by the LHC. The irreducible background from the production of two W bosons + jets from processes with QCD vertices and the large background from top pair production was reduced thanks to the use of sophisticated machine learning techniques. The work aims at investigating possible constraints of sensible dimension 6 EFT operators in this VBS channel, toward a combination with the other relevant VBS final states. The use of machine learning techniques will help in the discrimination of the contribution of different operators from the large background.
13. Implementing Machine Learning techniques in the Vector Boson Scattering production channel with two W bosons of same charge decaying into leptons to search beyond the standard model physics in the effective field theory (EFT) approach. Vector Boson Scattering (VBS) is a purely electroweak process with a strong connection with the Higgs boson physics and a fundamental tool to test the electroweak sector of the standard model. Its investigation may also lead to the discovery of hints of new physics. It is among the rarest processes at LHC, and its observation has become accessible only recently thanks to the data set collected so far by the LHC. The same-sign WW final state is known as the "golden channel" due to its favorable EW/QCD signal-to-background ratio. The work aims at investigating possible constraints of sensible dimension 6 EFT operators in this VBS channel, toward a combination with the other relevant VBS final states. The use of machine learning techniques will help in the discrimination of the contribution of different operators from the background.
14. Implementing Machine Learning techniques in the Vector Boson Scattering production channel with two WV bosons decaying semileptonically to search beyond the standard model physics in the effective field theory (EFT) approach. Vector Boson Scattering (VBS) is a purely electroweak process with a strong connection with the Higgs boson physics and a fundamental tool to test the electroweak sector of the standard model. Its investigation may also lead to the discovery of hints of new physics. It is among the rarest processes at LHC, and its observation has become accessible only recently thanks to the data set collected so far by the LHC. The work aims at investigating possible constraints of sensible dimension 6 EFT operators in this VBS channel, toward a combination with the other relevant VBS final states.  The appeal of the semileptonic final state is in the possibility of enhancing the number of signal events because of the higher branching ratio than the leptonic mode. However, the QCD background (in particular due to W+jets events) is also enhanced. Sophisticated machine learning techniques help to disentangle the signal from a very large background.
15. Implementing Machine Learning techniques in the Vector Boson Scattering production channel with WZ bosons decaying into leptons to search beyond the standard model physics in the effective field theory (EFT) approach. Vector Boson Scattering (VBS) is a purely electroweak process with a strong connection with the Higgs boson physics and a fundamental tool to test the electroweak sector of the standard model. Its investigation may also lead to the discovery of hints of new physics. It is among the rarest processes at LHC, and its observation has become accessible only recently thanks to the data set collected so far by the LHC. The work aims at investigating possible constraints of sensible dimension 6 EFT operators in this VBS channel, toward a combination with the other relevant VBS final states. The small cross section of the process and the dominant irreducible QCD background are the two biggest challenges for the study of this final state, which can be reduced thanks to the use of sophisticated machine learning techniques.
16. Implementing Machine Learning techniques in the Vector Boson Fusion production channel with a W boson decaying into leptons to search beyond the standard model physics in the effective field theory (EFT) approach. Vector Boson Fusion (VBF) is a purely electroweak process and a fundamental tool to test the electroweak sector of the standard model. Leptonic decay modes of the vector boson are used to measure SM processes and search for physics beyond the SM, since they feature a clean signature and hence a lower level of background.The work aims at investigating possible constraints of sensible dimension 6 EFT operators in this VBF channel, toward a combination with the other relevant VBF/VBS final states. The use of machine learning techniques will help in the discrimination of the contribution of different operators from the irreducible QCD W+jets background.
17. Implementing Machine Learning techniques in the Vector Boson Fusion production channel with a Z boson decaying into leptons to search beyond the standard model physics in the effective field theory (EFT) approach. Vector Boson Fusion (VBF) is a purely electroweak process and a fundamental tool to test the electroweak sector of the standard model. Leptonic decay modes of the vector boson are used to measure SM processes and search for physics beyond the SM, since they feature a clean signature and hence a lower level of background. The work aims at investigating possible constraints of sensible dimension 6 EFT operators in this VBF channel, toward a combination with the other relevant VBF/VBS final states. The use of machine learning techniques will help in the discrimination of the contribution of different operators from the irreducible Drell-Yan background.
18. A sensitivity study of the production of two Higgs processes to dimension-6 EFT operators at the LHC. The discovery of the Higgs boson by the ATLAS and CMS Collaborations in 2012 provides proof of the predicted electroweak symmetry breaking mechanism. The characterization of the properties of the Higgs boson are studied at the LHC. The production of two Higgs (HH) furnishes a way to determine the Higgs boson self-coupling, to both test the consistency of the standard model, or find hints of physics beyond it.The work of thesis consists in a parton-level study of the two Higgs boson production, aiming at establishing the sensitivity to a set of dimension-six operators in the Standard Model Effective Field Theory.
19. W rare decay in three pions on FPGAs
    Referenti (Dott. F. Brivio, Prof. M. Dinardo, Dott. P. Dini, Dott. S. Gennai, Prof. P. Govoni).
    Le tecniche di analisi standard a collisionatori adronici come LHC si basano solo su una piccola frazione di tutti gli eventi prodotti negli scontri tra protoni. Elaborate selezioni  vengono applicate in "real time" per ridurre il flusso di eventi da analizzare dai 40 MHz iniziali all'ordine del kHz (flusso al quale gli eventi vengono scritti su disco e preparati per l'analisi offline). Questa catena di selezioni (chiamata trigger) serve per identificare i pochi eventi interessanti per le analisi e separarli dagli eventi di fondo e di basso interesse che vengono prodotti con probabilità  ordini di grandezza maggiori. Purtroppo nessuna procedura è efficace al 100% e sicuramente il trigger non riesce a selezionare tutti gli eventi che ci piacerebbe analizzare, per questo da tempo in CMS vengono studiati metodi alternativi. Uno di questi metodi consiste nel salvare un numero maggiore di eventi, ad un flusso di circa 100 kHz, ma con un set di informazioni ridotto. Questa strategia prende il nome di scouting e si pensa che potrà aumentare sensibilmente il programma di fisica di CMS nei prossimi anni. In particolare, un'analisi che si considera di fondamentale importanza per comprendere i meccanismi nascosti del Modello Standard delle particelle elementari è un  decadimento  ultra raro del bosone W in 3 pioni. Le caratteristiche cinematiche di questo decadimento lo rendono un benchmark ottimale per lo studio e l'ottimizzazione delle possibilità dello scouting. La tesi che proponiamo si inquadra all'interno di questa analisi. Il lavoro consiste nell'ottimizzare la selezione dei tre pioni provenienti dal decadimento del bosone W tramite tecniche standard e con l'ausilio dei modelli di intelligenza artificiale, scegliendo quelli che si adattano meglio alla soluzione del problema. Dato l'alto flusso di eventi, sarà necessario implementare parte del codice di analisi su acceleratori di calcolo dedicati (Field Programmable Gate Array, FPGA). Un aspetto rilevante del lavoro sarà quindi anche la comprensione e, possibilmente,  implementazione di tecniche di traduzione del codice e di modelli di machine learning (che normalmente funziona su CPU) su modelli di FPGA di ultima generazione (high level synthesis).

    Competenze richieste:
    Python,
    Conoscenze minime di C o C++ (essere in grado di leggere un codice e capire cosa faccia).

    Competenze apprese:
    Fisica di precisione a collider adronici
    Analisi dati di eventi rari in contesti ad alto rumore con tecniche all’avanguardia
    Tecniche di high level synthesis e funzionamento di FPGA
    Lavoro di ricerca scientifica in ambito di grandi collaborazioni internazionali.

Referenti: M. Borsato, M. Calvi, Sim. Capelli, P. Carniti, D. Fazzini, C. Gotti, M. Martinelli, G. Pessina, E.Shields e M. Pizzichemi, M.Salomoni, D.Trotta

L’esperimento LHCb si svolge al CERN dove raccoglie dati di collisioni protone-protone nel Large Hadron Collider. È dedicato principalmente allo studio della fisica fondamentale attraverso l'analisi delle particelle contenenti quarks pesanti (charm o beauty), in particolare allo studio delle differenze materia-antimateria, alle verifiche del Modello Standard (MS) e alla ricerca di eventi rari che aprano alla scoperta di fisica oltre il MS.  LHCb ha rinnovato completamente il suo rivelatore durante l’ultima chiusura di LHC  (LHCb Upgrade) per funzionare ad una luminosità 5 volte maggiore della precedente. La nuova presa dati (Run3) pone quindi numerose sfide di verifica e ottimizzazione di tutti gli algoritmi usati precedentemente. In contemporanea, è in corso la progettazione di un ulteriore Upgrade per la fase di alta luminosità di LHC (HL-LHC) che comporta studi e test di nuovi componenti del rivelatore.
Le tesi proposte riguardano l’analisi dei dati raccolti dall’esperimento LHCb negli anni 2011-2018 e dal 2024 ad oggi e gli studi per i futuri upgrades del rivelatore, sia in ambito software che hardware. . Per le tesi di analisi dati è preferibile una conoscenza di base della programmazione in Python o in C++.

Analisi dei Dati

1. Ricerca del decadimento che non conserva il sapore leptonico τ→μμμ
   La conservazione del sapore leptonico nelle transizioni tra particelle è una delle assunzioni del Modello Standard. Anche nelle sue estensioni che includono i neutrini massivi e le loro oscillazioni di neutrino il rateo di questo decadimento è così basso che una sua eventuale osservazione darebbe un chiaro segnale della presenza di fisica oltre il Modello Standard. La tesi propone di iniziare la ricerca di tale decadimento con i dati raccolti da LHCb nel Run3. Si dovrà definire la selezione del segnale utilizzando variabili cinematiche e topologiche con tecniche di Machine Learning. Uno studio particolare riguarderà l’ottimizzazione  dell’identificazione dei muoni, basata sulle informazioni provenienti da tutti i sotto-rivelatori. Il decadimento del mesone charmato  Ds→ϕ(μμ)π verrà utilizzato come canale di controllo confrontando le proprietà nei dati e nella simulazione.
2.  Misura dell’elemento di matrice Vub dal decadimento Bₛ →Kμν.
   La matrice CKM che rappresenta il mixing tra i quarks risulta fortemente diagonale e l’accoppiamento del quark b al quark u è fortemente soppresso. La misura del modulo dell’elemento Vub è pertanto particolarmente difficile ed è importante migliorare la precisione dei risultati attualmente disponibili. L’uso del decadimento Bₛ →Kμν, possibile solo ad LHCb, è particolarmente vantaggioso per la possibilità di utilizzare calcoli precisi di QCD per la sua stima. La tesi propone lo studio di questo decadimento con i dati del Run2 per la misura della decay rate differenziale. Si misurerà il branching ratio ratio del decadimento in diversi bins di q2 e si studieranno diversi modelli per la descrizione della decay rate in cui si utilizzano diverse stime del fattori di forma ottenute da calcoli di Lattice QCD e diverse strategie di fit ai dati. Eventuali periodi presso il CERN per collaborare con i colleghi teorici esperti nel settore del potrebbero essere finanziati tramite il programma Erasmus+.
3. Misura di mixing e violazione di CP in decadimenti a molti corpi del D⁰
   A seguito della recente osservazione della violazione di CP diretta nei decadimenti D⁰→KK e D⁰→ππ, l'interesse sperimentale è volto alla ricerca di violazione di CP mediata dal processo di oscillazione dei mesoni D⁰ e D̅⁰. L'osservazione di tale fenomeno, oltre a chiarire il panorama teorico sulla violazione di CP nel Charm, potrebbe anche fornire indicazioni su possibili effetti oltre il Modello Standard. Per effettuare questa ricerca si propone di studiare il decadimento del D⁰→K⁰ₛπ⁺π⁻ utilizzando la tecnica del “bin-flip” che ha permesso di osservare per la prima volta la differenza di massa tra gli autostati del D⁰. Tale misura ha evidenziato delle sistematiche che limiteranno la misura nei prossimi Run di LHC. Per correggere questi effetti si vuole studiare in questo lavoro di tesi una tecnica di correzione del campione simulato basata su tecniche di machine learning e sull’utilizzo di D⁰→π⁺π⁻ come campione di controllo.
4. Misura di violazione di CP nei decadimenti D⁰→K⁺π⁻π⁺π⁻
   Il decadimento doppio Cabibbo soppresso D⁰→K⁺π⁻π⁺π⁻ offre un territorio finora inesplorato per la ricerca di effetti oltre il Modello Standard. È infatti un canale nel quale gli effetti di violazione di CP dovrebbero essere nulli nel Modello e qualora venissero osservati fornirebbe una chiara indicazione di processi esotici. Si propone di effettuare la prima misura di violazione di CP in questo canale utilizzando la tecnica dei tripli prodotti. Il lavoro di tesi consisterà nella definizione della selezione ottimale degli eventi utilizzando anche tecniche di Machine Learning, nel fit del modello ai dati e nella valutazione della sensibilità della misura utilizzando i dati reali raccolti dall'esperimento LHCb..
5. Violazione CP nei decadimenti radiativi del charm
   I decadimenti radiativi dei quark charm verso i quark up sono estremamente soppresse dal meccanismo GIM, e se ne sa molto poco. Vengono considerati un candidato molto promettente per scoprire contributi della fisica oltre il Modello Standard nel settore del quark up. LHCb ha già raccolto un enorme set di dati contenente diversi miliardi di mesoni charm. Tuttavia, i tentativi di separare i loro decadimenti radiativi dai più comuni decadimenti adronici non sono stati finora molto riusciti. Proponiamo di sviluppare e testare un nuovo metodo basato sulla conversione dei fotoni in coppie elettrone-positrone, che promette di ridurre l'enorme fondo proveniente dai pioni neutri. Questo lavoro prevede lo sviluppo di un classificatore avanzato basato sul machine learning per filtrare la maggior parte del fondo e l'adattamento delle distribuzioni cinematiche del campione selezionato per sottrarre statisticamente il fondo residuo. Isolare queste decadenze potrebbe permettere a LHCb di studiare il loro tasso di decadimento, l'asimmetria CP e la polarizzazione dei fotoni con una precisione senza pari a livello mondiale.

6. New strategies for signal identification using Graph Neural Networks
   The upcoming runs of the LHC will bring important increases in luminosity, which will push to the limit the trigger, selection and analysis of events collected with the LHCb detector.   A new strategy has been devised based on AI that uses Graph Neural Networks to perform a Deep Full Event Interpretation of the events (DFEI). The algorithm aims at reconstructing the decay chain of all beauty hadrons present in the event providing their full hierarchical structure. It can be used at trigger level, for the inclusive selection of interesting events and the determination of sub-sample of particles to be saved. A second use of DFEI is in the offline selection of signal candidates and the rejection of “background” ones. Background candidates in standard selection algorithms can come from multi-tracks decay chains that are only partially reconstructed, or from random combinations of tracks emerging from different hadrons.  This project has two aims: A) exploring the use of DFEI to recognize these types of background by reconstructing the full decay chains of heavy hadrons. The algorithm will be used in the selection of semileptonic decays of beauty hadrons, and will be compared with other isolation strategies. B) Add new functionalities to the algorithm, to extend it to the selection of neutral particles and to the selection of charm particles, retraining and re-optimizing the GNN for its use at the trigger level.

7. Implementation and development of a tracking reconstruction algorithm based on RETINA in a state-of-the-art FPGA array
   Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are computer boards that can be programmed to execute specific algorithms with high speed and efficiency. One algorithm particularly well-suited to this technology is RETINA, which is inspired by how neurons process retinal information to reconstruct images.
   It has been demonstrated that similar algorithms are highly effective in reconstructing particle tracks at very fast rates, making them valuable for triggering applications in High Energy Physics experiments. LHCb is already using RETINA for clustering in its vertex detector and aims to extend its use to the downstream tracking stations, enhancing the experiment’s physics reach in Run 4 and beyond.
   A test-bed is currently in place at CERN to analyze LHCb data from Run 3 in parallel. Additionally, a mini-array of FPGAs will soon be installed at Milano-Bicocca, enabling further studies with technology optimized for Run 4 data-taking.
   This project presents a unique opportunity to contribute from its inception and gain hands-on experience in a rapidly evolving field at the intersection of artificial intelligence and high-performance computing.

8. Sviluppo di Tecniche Innovative per la Ricostruzione dei Fotoni Cherenkov nel RICH di LHCb
   Charged particles produced in High-Energy Physics experiments emit photons via the Cherenkov effect when passing through a radiator. The emission angle of these photons, relative to the particle's trajectory, depends on the particle’s mass. In RICH (Ring Imaging CHerenkov) detectors, these photons are focused by a system of mirrors onto a plane of photodetectors, forming rings whose radii are determined by the emission angle. Reconstructing these rings allows for the identification of the originating particle.
   The goal of this thesis is to develop a Machine Learning-based algorithm for Cherenkov ring reconstruction. Data and simulations from the LHCb experiment will be used to evaluate the algorithm’s performance, comparing it to those currently in use within the collaboration. Cutting-edge Nvidia A100 and A6000 GPUs will be used.

Attività in LHCb su Rivelatori di particelle

1. Studio della resistenza alla radiazione e della risoluzione temporale di fotomoltiplicatori al Silicio (SiPM) irraggiati con neutroni e raffreddati all’azoto liquido
   Referenti: M. Calvi, P. Carniti, C. Gotti, G.Pessina, D.Trotta
   Nei prossimi anni, i rivelatori RICH di LHCb verranno modificati in modo da funzionare in condizioni di maggiore luminosità, e quindi raccogliere una maggiore quantità di dati. Gli attuali fotorivelatori verranno sostituiti da fotomoltiplicatori al Silicio (SiPM), rivelatori a stato solido sensibili a singoli fotoni. In LHCb i fotorivelatori dovranno sopravvivere ad alte dosi di radiazioni, in particolare alte fluenze di neutroni (oltre 1013 n/cm2). Per mitigare gli effetti della radiazione, i SiPM verranno raffreddati a temperature molto basse, fino all’azoto liquido (77 K). La tesi si inserisce in questo contesto, proponendo di studiare la risposta al singolo fotone di SiPM irraggiati con neutroni e raffreddati a temperature criogeniche. Tra le quantità da caratterizzare c’è la loro risoluzione temporale, ovvero la capacità di riconoscere l’istante di arrivo dei fotoni Cherenkov al livello delle decine o centinaia di picosecondi.
2. Studio delle performance di diversi prototipi di calorimetro elettromagnetico da simulazioni Monte Carlo e test su fascio
   Referenti: M. Calvi, A. Minotti, M.Salomoni, M. Pizzichemi
   Per l’Upgrade II di LHCb, il calorimetro elettromagnetico verrà completamente ridisegnato per affrontare un forte incremento in dose di radiazione ed occupanza. Il rivelatore dovrà fornire misure disu elettroni e fotoni con una risoluzione temporale di poche decine di picosecondi, una risoluzione spaziale di pochi millimetri ed una risoluzione energetica compatibile con la tecnologia Shashlik attuale. Per questo motivo sono in fase di sviluppo diversi prototipi di calorimetro elettromagnetico realizzati con tecnologia SPACAL (SPAghetti CALorimeter).
   Il lavoro di tesi comporterà l’analisi di dati sperimentali raccolti in test su fascio presso l’SPS al CERN e a DESY, ed il loro confronto con i risultati ottenuti con una simulazione Monte Carlo, sviluppata con il toolkit Geant4. Si studieranno diversi prototipi di calorimetri elettromagnetici basati sulla tecnologia SPACAL, valutando le loro prestazioni in termini di risoluzione energetica, temporale, spaziale ed angolare e si simuleranno le diverse configurazioni.
   In vista della prossima fase dell'Upgrade del calorimetro elettromagnetico, si valuteranno le prestazioni dei primi moduli SpaCal prodotti per essere utilizzati durante la fase Run4 di LHCb, con particolare attenzione alla risoluzione energetica, raccogliendo ed analizzando i dati tramite test su fascio.
   Sono possibili periodi di soggiorno al CERN per partecipare all’attività sperimentale e alle misure di prototipi con fasci di particelle.

Referenti: M. Lucchini, A. Benaglia

The European Strategy for Particle Physics has identified a e+e- collider as the highest priority for the post-LHC accelerator era with the goal of studying in detail the properties of the Higgs boson while searching for hints of new physics that could explain the yet unveiled mysteries of our Universe such as the nature of dark matter, the preponderance of matter over antimatter and the mass hierarchy of Standard Model particles. In this context a highly segmented crystal calorimeter featuring a dual readout of scintillation and Cherenkov light can offer a unique performance for event reconstruction, especially for low energy photons and jets.

As part of its thesis the candidate will contribute in defining the conceptual design of such a calorimeter, test various state-of-the-art radiation detection technologies (scintillating crystals and silicon photomultipliers) that will be used for the construction of a prototype. The activity will include laboratory measurements at the University of Milano-Bicocca, simulations and possibly participation in beam tests at the CERN laboratories and/or other accelerator facilities.

The activity could have different flavors depending on the candidate main interests and on the thesis timeline with respect to the project:

• laboratory measurements on crystals, filters and SiPMs using radioactive sources
• simulation studies using Geant4 software
• development and testing of electronics for a multi channel full containment electromagnetic prototype
• lab characterization and construction of the multi channel full containment electromagnetic prototype
• participation to CERN test beam activities and related data analysis

Referenti: M. Bonesini, R. Benocci

Per un futuro acceleratore post-LHC una opzione possibile è il collider di muoni per cui una intensa attività di R&D si è svolta negli scorsi anni (cooling di muoni studiato dall’esperimento MICE al RAL con attiva partecipazione del gruppo di Milano Bicocca). Attualmente un gruppo di lavoro al CERN sta studiando la possibile implementazione di un dimostratore (scala temporale 5 anni). In questo ambito sono possibili diverse tesi magistrali, connesse con vari aspetti sperimentali, come lo studio delle proprietà di bersagli non convenzionali, l’implementazione del cooling per muoni, etc.

Referenti: M. Biassoni, C. Brofferio, S. Capelli, D. Chiesa, O. Cremonesi, S. Dell’Oro, L. Gironi, I. Nutini, M. Pavan, S. Pozzi, E. Previtali, M. Sisti

Gli esperimenti CUORE e CUPID ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso si propongono di affrontare un’avvincente sfida tecnologica per investigare la natura del neutrino. Difatti, si raffredda una tonnellata di rivelatori fino a 10 mK sopra lo zero assoluto. Ad oggi, CUORE è il ‘metro cubo più freddo dell’universo’. Questi esperimenti investigano principalmente decadimenti rari, ma sono anche sensibili per la ricerca di materia oscura o neutrini da supernova. La tecnologia bolometrica utilizzata da CUORE e CUPID è stata sviluppata dal gruppo originario del Prof. Fiorini, professore emerito di questa università. L’attuale gruppo CUORE-CUPID di Milano Bicocca ne è l’erede ed è forza trainante in questi esperimenti, sia per la parte di sviluppo e ottimizzazione dei rivelatori, che per la parte di analisi dati e simulazioni Monte Carlo.

Un progetto di tesi magistrale in CUORE/CUPID dà l’opportunità di esplorare vari aspetti della ricerca. In CUORE, vi è la possibilità di cimentarsi con l’analisi dati di un esperimento su ampia scala, sia per ottimizzare la processazione di segnale che per l’applicazione di tecniche statistiche per la ricerca di processi fisici di interesse. In CUPID, vi è la possibilità di partecipare alle attività sperimentali di caratterizzazione e di sviluppo dei rivelatori criogenici, e in parallelo allo sviluppo di nuovi algoritmi di analisi di segnale, specifici per rivelatori veloci.

Le proposte di tesi potranno prevedere attività svolte nei Laboratori di Bolometri e di Criogenia di UniMiB, e anche attività presso l’esperimento CUORE e i dimostratori di CUPID ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso.

1. Caratterizzazione della risposta dei rivelatori per CUPID.
   Tipologia: Analisi dati di Rivelatori, Attività di Laboratorio e test a temperature criogeniche. Competenze e approfondimenti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio, C++/Python e ROOT.
2. Sviluppo e test di nuovi rivelatori bolometrici per la fisica degli eventi rari. Tipologia: Sviluppo di Rivelatori, Attività di Laboratorio e test a temperature criogeniche. Competenze e approfondimenti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio, C++/Python e ROOT.
3. Modello del fondo radioattivo di CUORE e previsioni per CUPID: contaminazioni alfa/beta/gamma, muoni, neutroni. Tipologia: Analisi dati e simulazioni. Competenze e approfondimenti: conoscenze di base di C++/Python, ROOT e Geant4.
4. Calibrazione dell’esperimento CUORE con sorgenti gamma: analisi dati e simulazione Monte Carlo. Tipologia: Analisi dati e simulazioni.  Competenze e approfondimenti: conoscenze di base di C++/Python, ROOT e Geant4.
5. Sviluppo di algoritmi di Machine Learning per l’identificazione del pileup nelle forme d’onda dei rivelatori di CUORE e CUPID.  Tipologia: Analisi dati e machine learning. Competenze e approfondimenti: conoscenze di base di Python/C++, ROOT e pacchetti Machine Learning.
6. Tecniche di Machine Learning per la decorrelazione del rumore nelle forme d’onda dei rivelatori di CUORE. Tipologia: Analisi dati e machine learning. Competenze e approfondimenti: conoscenze di base di Python/C++, ROOT e pacchetti Machine Learning.
7. Studio degli eventi di bassa energia di CUORE: ricerca di segnature di materia oscura, ottimizzazione degli algoritmi di trigger. Tipologia: Analisi dati. Competenze e approfondimenti: conoscenze di base di C++/Python e ROOT.

Referente: C.M. Cattadori, T. Tabarelli, L. Canonica

GERDA è uno dei due esperimenti più sensibili al mondo, per la ricerca del decadimento doppio beta (0nbb) senza emissione di neutrini. Grazie all’innovativo modus operandi dei consolidati rivelatori Ge, in alcuni anni di presa dati presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, GERDA ha centrato il suo obiettivo di progetto, migliorando di oltre un fattore 10 la sensibilità sul decadimento 0nbb del 76Ge, rispetto ai progetti predecessori. LEGEND è il suo successore: da pochi mesi ha ereditato il setup di GERDA per ampliarlo e migliorarlo ed aumentare così ulteriormente la sensibilità di misura. 

1. Misura e analisi delle prestazioni dei preamplificatori di carica criogenici (LEGEND): linearità, tempo salita, forma impulso etc. cross-talk etc., modellizzazione del circuito e della funzione di risposta 
2. Misure di efficienza della trasmissione ottica in regime di guida di luce, di lastre wavelenght shifting operate a temperatura criogeniche e ambiente. Modellazione ottica delle stesse e ottimizzazione della configurazione di readout dei fotosensori.
3. Digital Signal Processing (ambiente Root) di set di dati di luce di scintillazione di LAr registrate tramite dispositivi SiPMs nei tests dell’apparato LEGEND.
4. Digital Signal Processing (ambiente Root) di set di dati di rivelatori Ge acquisiti nei tests dell'apparato LEGEND.
5. Caratterizzazione e modellazione dei nuovi rivelatori Ge del progetto LEGEND con tavoli di scanning, al fine di determinarne i parametri funzionali fondamentali  ed i parametri rilevanti: Spessore  Strato morto, Risoluzione, Forme di impulso medie etc.

[Tipologia Tesi: Sviluppo/Caratterizzazione quantitativa di Rivelatori, Analisi dati e Modellazione]
[Prerequisiti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio per la fisica delle particelle, conoscenza di base della programmazione in C++ e ROOT]

Referenti: M. Sisti, D.Chiesa, M. Nastasi, E. Previtali, , A. Barresi, M. Borghesi, C. Coletta, G. Ferrante 

Il Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) ha l'obiettivo primario di determinare l'ordinamento delle masse dei neutrini attraverso la misura delle oscillazioni degli antineutrini emessi da 8 reattori nucleari posti a 53 km di distanza. Il rivelatore è costituito da 20000 tonnellate di scintillatore liquido instrumentato con decine di migliaia di fotomoltiplicatori. In virtù delle sue eccezionali dimensioni e prestazioni, JUNO consentirà anche lo studio di molti altri segnali di estremo interesse per la fisica astroparticellare: supernovae, neutrini solari, neutrini atmosferici, geo-neutrini, decadimento del protone.
In aggiunta al rivelatore principale, l'esperimento JUNO-TAO (Taishan Antineutrino Observatory) è un rivelatore satellite di JUNO posto a 44 m di distanza dal core di uno dei due reattori della centrale nucleare di Taishan. JUNO-TAO è progettato per misurare con alta precisione lo spettro degli antineutrini elettronici, prodotti dai decadimenti beta nel core del reattore. I suoi risultati, oltre ad essere  fondamentali per ridurre le incertezze sistematiche nella misura della gerarchia di massa dei neutrini dell'esperimento JUNO, forniranno uno spettro di antineutrini da reattore misurato con elevatissima risoluzione energetica che farà sia da modello per i futuri esperimenti con neutrini da reattore che da misura di riferimento per i database nucleari.

1. Analisi dell'evoluzione temporale dello spettro di antineutrini emessi dai reattori di potenza.
   Questa attività si sviluppa a partire dalla simulazione del burnup del combustibile nucleare in un reattore di potenza fino ad arrivare alla ricostruzione dello spettro di antineutrini emessi dai frammenti di fissione.
   Questa ricerca è finalizzata alla ricostruzione e all’analisi delle incertezze sistematiche dello spettro “non-oscillato” dei neutrini emessi dai reattori e rappresenta un elemento essenziale per l’analisi dello spettro “oscillato” misurato da JUNO, con ricadute più in generale nell’ambito della fisica nucleare dei decadimenti beta dei frammenti di fissione e della modellizzazione dei reattori di potenza.
   Il laureando apprenderà l'utilizzo dei più moderni codici di simulazione Monte Carlo dei reattori nucleari, che verranno sfruttati per investigare le problematiche attualmente aperte in merito alla ricostruzione dello spettro di antineutrini da reattore.
2. Misura di contaminanti in tracce in campioni solidi e liquidi mediante attivazione neutronica e tecniche radiochimiche.
   Questa attività è finalizzata alla determinazione di bassissime  concentrazioni di contaminanti naturali nei materiali necessari alla realizzazione dell’esperimento JUNO. A tal fine è in atto una una collaborazione con il LENA di Pavia, dove è attivo un reattore nucleare di ricerca, per la conduzione e l’ottimizzazione della tecnica della Analisi per Attivazione Neutronica, che consente di migliorare le sensibilità di misura su particolari nuclidi di interesse per gli esperimenti di fisica degli eventi rari che necessitano di un bassissimo fondo radioattivo. Per alcuni materiali, come lo scintillatore liquido dell’esperimento JUNO, sono inoltre in fase di studio e caratterizzazione delle tecniche di concentrazione dei campioni prima dell’irraggiamento con neutroni e dei trattamenti radiochimici post-irraggiamento. Lo studente interessato avrà modo di seguire in prima persona tutte le fasi della misura, dalla preparazione dei campioni, all’irraggiamento, ai trattamenti radiochimici, alla misura dei campioni trattati sui rivelatori al germanio iperpuro, fino all’analisi critica dei risultati ottenuti.

3. Analisi dei dati di commissioning di JUNO
   L’esperimento JUNO, il più grande rivelatore a scintillazione attualmente operativo, sta attraversando la fase di riempimento con liquido scintillatore. L’attività proposta si inserisce in questa fase cruciale dell’esperimento, puntando ad analizzare i primi dati raccolti in modo da caratterizzare in modo accurato la risposta del rivelatore. In particolare, il lavoro si concentrerà sullo studio della risposta e del rumore dei PMT (PhotoMultiplier Tubes) dell’esperimento e sull’analisi dei dati di calibrazione, ottenuti inserendo nel rivelatore sorgenti di vario tipo, fra cui Americio-Berillio e laser. Il laureando imparerà a leggere ed analizzare i dati provenienti da un esperimento di fisica delle particelle e a sfruttare queste informazioni per comprendere i parametri fondamentali che caratterizzano il funzionamento del rivelatore stesso. Nel raggiungere questo obiettivo, imparerà ad utilizzare linguaggi di programmazione quali C++ e Python e alcuni dei software più usati nella fisica delle particelle (ROOT, SNiPER) per gestire i dati acquisiti dall’esperimento. 

4. Studio dei fondi radioattivi di JUNO
   Questa attività consiste nell’analisi dei primi dati raccolti da JUNO al fine di valutare con accuratezza il livello dei fondi radioattivi presenti nel rivelatore. Una corretta ricostruzione del fondo può portare ad ottenere alcuni importanti risultati di fisica, come la misura del flusso di neutrini solari provenienti dai decadimenti dei nuclei di 7Be e 8B. A questo scopo, il laureando imparerà a sviluppare tecniche di analisi avanzate quali, ad esempio, sviluppo di algoritmi di deconvoluzione, algoritmi di clustering, tecniche di discriminazione segnale-fondo, utilizzo di reti neurali applicate all’analisi del segnale. Parte integrante di questo lavoro sarà l'utilizzo e lo sviluppo di codici Monte Carlo necessari a simulare il comportamento del rivelatore a seguito dei vari eventi fisici che si intende studiare. 

5. Simulazione Monte Carlo del rivelatore JUNO-TAO
   Questa tesi si concentra sulla simulazione Monte Carlo del rivelatore TAO, con l'obiettivo di modellizzarne la risposta agli antineutrini. Il candidato si occuperà della generazione degli eventi, della propagazione delle particelle nel rivelatore e della simulazione dei segnali prodotti. Verranno studiati gli effetti della risoluzione energetica e delle incertezze sistematiche sulle misure dello spettro di energia degli antineutrini. Il laureando acquisirà esperienza nell’uso di strumenti avanzati per la simulazione di rivelatori di fisica delle particelle e svilupperà competenze nell’analisi e interpretazione dei dati simulati. I risultati ottenuti contribuiranno al successivo benchmark con le misure sperimentali del rivelatore.

6. Simulazione e studio delle misure di fondo di TAO
   Questa tesi si propone di simulare e analizzare le principali sorgenti di fondo che possono influenzare le misure del rivelatore TAO. Attraverso modelli teorici e simulazioni Monte Carlo, verrà studiato l'impatto della radioattività ambientale, dei raggi cosmici e delle coincidenze accidentali sul segnale atteso. Il candidato valuterà l'efficacia di diverse strategie di mitigazione, attraverso l’ottimizzazione di tagli e tecniche di discriminazione del segnale.
   Il laureando acquisirà esperienza nelle simulazioni Monte Carlo e nell’analisi critica delle strategie di studio del fondo, con importanti ricadute nell’ambito della fisica degli esperimenti a basso fondo. Questo lavoro sarà essenziale per migliorare la sensibilità del rivelatore e garantire una misura accurata dello spettro di antineutrini da reattore.

7. Analisi dei dati di commissioning del rivelatore TAO
   Questa tesi si concentra sull’analisi dei primi dati raccolti dal rivelatore TAO durante la fase di commissioning (prevista a partire dalla seconda metà del 2025). Il candidato analizzerà i dati sperimentali, studiando la stabilità del sistema di acquisizione, la calibrazione della risposta del rivelatore e l’efficienza della ricostruzione degli eventi. Saranno studiate le caratteristiche del segnale, per poter quindi effettuare un benchmark con le simulazioni del rivelatore. Il laureando imparerà a gestire e analizzare dati sperimentali utilizzando  linguaggi di programmazione (C++, Python) e software di analisi (ROOT, SNiPER), sviluppando competenze fondamentali nell’analisi dati per la fisica delle particelle e nell’interpretazione dei risultati sperimentali. I risultati di questa analisi saranno essenziali per valutare le prestazioni del rivelatore e preparare la successive fasi di acquisizione dati.

Referenti: Angelo Nucciotti, Matteo Borghesi, Marco Faverzani, Elena Ferri, Andrea Giachero, Danilo Labranca, Luca Origo

HOLMES è un progetto finanziato dallo European Research Council (ERC), con un Advanced Grant, e dall’Istituto Italiano di Fisica Nucleare. L’obiettivo di HOLMES è la misura della massa del neutrino attraverso lo studio del decadimento per cattura elettronica dell’163Ho. HOLMES utilizza microcalorimetri a bassissima temperatura (Transition Edge Sensors) e si svolge nel Laboratorio Criostati del Dipartimento di Fisica “G. Occhialini” dell’Università di Milano-Bicocca in collaborazione con l’istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Possibilità di tesi includono:

1. Setup dell’impiantatore ionico in collaborazione con l'università degli studi di Genova. Uno speciale impiantatore verrà utilizzato per inserire l’Olmio all’interno dei microcalorimetri TES. L’efficienza dei processi di estrazione dell’Olmio, di purificazione e di concentrazione del fascio ionico saranno cruciali per il raggiungimento degli obiettivi previsti dall’esperimento. L'impiantatore si trova nel dipartimento di fisica dell'università di Genova. Il laureando si occuperà dell'installazione e ottimizzazione di tutti i componenti dell’impiantatore, dalla sezione di accelerazione, al focusing del fascio alla camera del target, nella quale una co-evaporazione di oro tramite sputtering verrà effettuata.
2. Sviluppo di algoritmi di machine learning per il software di analisi e per la discriminazione del pile-up. Per arrivare ad ottenere l'eccellente risoluzione energetica dei microcalorimetri progettati per la rivelazione di raggi X è necessario ottimizzare e sviluppare svariati algoritmi, che vanno dal filtraggio del segnale a routine per la calibrazione e la stabilizzazione degli impulsi. In una configurazione come quella prevista per HOLMES, con 300 eventi al secondo per rivelatore, sarà inoltre cruciale scrivere una robusta serie di algoritmi per l'identificazione degli eventi di PILE-UP. Il laureando si occuperà di implementare e testare questi algoritmi in linguaggio python.
3. Sviluppo di un sistema di lettura e multiplexing per matrici di micro-calorimetri. L’esperimento HOLMES nella sua configurazione finale misurerà fino a 1000 rivelatori contemporaneamente. Per leggere un numero così grande di canali lo sviluppo di un lettura multiplexato risulta fondamentale. Il laureando collaborerà alla progettazione e realizzazione software e hardware del primo dimostratore a 64 canali. Inoltre parteciperà alla caratterizzazione ed ottimizzazione del sistema e dei rivelatori ad esso connessi, realizzando programmi di presa dati ed analisi. Tutti i programmi realizzati saranno scritti nei linguaggi python e C++.
4. Studio della sensibilità di esperimenti per la misura della massa del neutrino con approccio bayesiano. La statistica Bayesiana, che affonda le sue radici in idee e concetti vecchi di centinaia di anni - tanto che sarebbe lei a dover essere chiamata “statistica classica” - di recente sta vedendo una vera e propria riscoperta, acquisendo sempre più importanza in diversi ambiti di ricerca. Questo grazie sia alla sua eleganza, sia allo sviluppo di potenti algoritmi che hanno permesso una facile applicazione del suo teorema più importante: il teorema di di Bayes. Lo studente svilupperà un software di analisi in python basato su STAN, con l'obiettivo di creare uno strumento capace di valutare la sensibilità statistica di presenti e futuri esperimenti sulla massa del neutrino.

Tutte le attività sopra elencate, oltre all'attività principale, prevedono un coinvolgimento in tutte le fasi di costruzione, analisi e ottimizzazione dell'esperimento.
 

Referenti: Andrea Giachero, Matteo Borghesi, Marco Faverzani, Elena Ferri, Angelo Nucciotti, Danilo Labranca, Luca Origo

Molte applicazioni nei campi delle tecnologie quantistiche e dei rivelatori criogenici per la fisica delle particelle si basano sulla rivelazione di segnali estremamente deboli nel dominio delle microonde. Tali applicazioni necessitano di sistemi di lettura caratterizzati da un’alta sensibilità ed alte prestazioni. DARTWARS (Detector Array Readout with Traveling Wave AmplifieRS, https://dartwars.unimib.it/) è un progetto finanziato dall’Istituto Italiano di Fisica Nucleare e dall’Unione Europea, con l’obiettivo di progettare e sviluppare amplificatori parametrici innovativi caratterizzati da larga banda e ampio guadagno e capaci di operare con una sensibilità limitata soltanto dal principio di indeterminazione di Heisenberg, raggiungendo il cosiddetto limite di rumore quantistico. Un sistema di lettura con queste caratteristiche significa un notevole passo avanti nella tecniche di multiplexing a microonde che permette la lettura di centinaia di qubit, andando oltre la supremazia quantistica, e di migliaia di rivelatori criogenici quali Transition Edge Sensor (TESs) e Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKIDs). 
In questo contesto, lo studente, una volta acquisiti i concetti base della superconduttività e dell’amplificazione parametrica, collaborerà alla progettazione degli amplificatori parametrici, alla loro produzione, al progetto e messa in opera del sistema criogenico necessario alla loro caratterizzazione e al loro eventuale utilizzo per la lettura di matrici di qubit e rivelatori criogenici. Gli amplificatori realizzati verranno inoltre studiati come possibili generatori di stati quantistici “squeezed”, stati che, grazie alle loro particolari caratteristiche intrinseche, permettono di controllare il rumore al di sotto del limite quantistico (sub-shot-noise) con il conseguente aumento della sensibilità di misura in diverse possibili applicazioni tra cui: la ricerca delle onde gravitazionali, la misurazione della materia oscura leggera (assioni), la lettura di qubit, il quantum computing e la comunicazione quantistica. Il lavoro di tesi proposto permetterà di collaborare anche con diversi istituti nazionali internazionali coinvolti nel progetto, tra cui il Quantum Sensors Group del National Institute of Standards and Technology (NIST, Boulder, CO, USA), leader mondiale nello sviluppo di dispositivi quantistici e superconduttivi, l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) di Torino, e la Fondazione Bruno Kessler di Trento

Referenti: Andrea Giachero, Matteo Borghesi, Marco Faverzani, Elena Ferri, Angelo Nucciotti, Danilo. Labranca, Luca Origo

L’innovativo centro di ricerca Superconducting Quantum Materials and Systems Center (SQMS), con sede al Fermilab, ha come obiettivo lo sviluppo un computer quantistico con prestazioni mai raggiunte finora basato su tecnologie superconduttive. Il centro svilupperà anche nuovi sensori quantistici con importanti applicazioni in fisica fondamentale, in particolare nella ricerca sulla materia oscura e altre particelle esotiche. l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) collabora al progetto come unico partner non statunitense. In particolare l’INFN si occuperà dello sviluppo di un sistema criogenico di test e caratterizzazione, presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), ottimizzato per studiare come la radioattività ambientale possa influenzare il comportamento e le prestazione dei qubit. In questo contesto le tesi magistrali disponibili sono:

• Progetto e Caratterizzazione di una linea di lettura per qubits in ambiente criogenico
  Lo studente si occuperà in prima persona del progetto e sviluppo e messa in opera di un sistema di lettura basso rumore in banda RF per la lettura e controllo di singoli o matrici di qubit. Lo studente collaborerà inoltre ai test di validazione del sistema e alle misure di caratterizzazione di microrisonatori superconduttivi e qubit letti attraverso questi. L’obiettivo è lo studio della risposta dei dispositivi in funzione dei differenti metodi che verranno implementati per minimizzare l’impatto della radiazione, come la pulizia chimica dei materiali, l’installazione di piccole schermature di piombo, la misura dei prototipi in un criostato schermato dai raggi cosmici dalla montagna del Gran Sasso.
• Studio simulazione dei contributi radioattivi in un qubit superconduttivo
  Recenti studi hanno dimostrato come le radiazioni ionizzanti possano andare a peggiorare le prestazioni e la risposta dei qubit superconduttivi. Lo studente si occuperà in prima persona dello studio delle principali sorgenti di radioattività ambientale che possono generare radiazione ionizzante che può interagire con i qubit. Tali studi verranno effettuati attraverso simulazioni Monte Carlo sfruttando la piattaforma di simulazione di interazione particelle-materia GEANT4, e i risultati ottenuti saranno fondamentali per la progettazione di  qubit dove l’impatto della radiazione è limitato. 

Entrambi i lavori di tesi saranno svolti in collaborazione con i Laboratori Nazionali del Gran Sasso e la Sezione INFN di Roma1 della Sapienza Università di Roma e il Fermilab di Chicago (USA). All’interno di queste collaborazioni sono previsti periodi di lavoro presso i laboratori del Gran Sasso e della sezione Roma1.

Referenti: Andrea Giachero, Matteo Borghesi, Marco Faverzani, Elena Ferri, Angelo Nucciotti, Danilo. Labranca, Luca Origo

QubIT è un progetto finanziato dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) il cui obiettivo è lo sviluppo di matrici di qubit superconduttivi per applicazioni nella computazione quantistica e nella rivelazione nell’ambito delle particelle elementari. L’unità di informazione su cui si basa la computazione quantistica è denominata bit quantistico (qubit), il cui comportamento è regolato dalle leggi della meccanica quantistica. I qubit superconduttivi sono implementati come circuiti quantomeccanici basati su giunzioni Josephson. I transmon sono una particolare tipologia di qubit superconduttori caratterizzati da un basso rumore ed un lungo tempo di coerenza quantistica. Il mantenimento di una lunga coerenza quantistica è un requisito importante ai fini della computazione pratica, in quanto mantenere la stabilità della sovrapposizione quantistica  sia in in fase che in ampiezza è un requisito fondamentale. In fisica delle particelle qubit di tipo transmon possono essere utilizzati per rivelare ipotetiche particelle elementari dette assioni, la cui scoperta potrebbe spiegare l’assenza di violazione della simmetria CP nell'interazione forte e la natura della materia oscura, problemi centrali della fisica delle particelle e della cosmologia moderna. In presenza di un campo magnetico l’assione può generare un fotone all’interno di una cavità a microonde 3D; fotone che può essere misurato da un transmon attraverso una misura definita come “quantum nondemolition” (QND), in cui cioè il fotone non viene distrutto nel processo di misura ma anzi può essere misurato ripetutamente per ridurre la probabilità di errore. Dal punto di vista della computazione quantistica l’accoppiamento di un qubit superconduttore ad un risonatore 3D consente di ottenere tempi di coerenza ordini di grandezza superiori rispetto all’approccio standard. Tempi di coerenza più lunghi offrono prestazioni più elevate e una maggiore fedeltà delle operazioni quantistiche, il che è estremamente importante in particolare per il calcolo quantistico.

• Progettazione e sviluppo di qubit trasmon per computazione quantistica e rivelazione di assioni
  Lo studente, una volta acquisiti i concetti base della superconduttività, della teoria delle microonde e del funzionamento dei qubit, collaborerà alla progettazione e simulazione di matrici di qubit di tipo transmon utilizzando sistemi di progettazione e sviluppo commerciali (QMS, qiskit-metal, Ansys, Sonnet) o sviluppati dallo studente stesso (in Python o Julia). Lo studente approfondirà lo sviluppo di qubit accoppiati a risonatori, con la finalità di rivelare materia oscura (assioni). Il design dei chip consiste nel tuning dei parametri dei qubit, dei risonatori e degli accoppiamenti tra i vari componenti per ottenere le caratteristiche desiderate per l’Hamiltoniana. Sarà possibile studiare come le caratteristiche proprie degli elementi non lineari (Giunzioni Josephson) influenzano i parametri dell’Hamiltoniana del sistema tramite i software di simulazione. Una volta sviluppato un design definitivo, il chip comprensivo di tutti gli elementi potrà essere prodotto e successivamente caratterizzato in laboratorio. Durante il lavoro di tesi sarà possibile partecipare anche alla produzione dei dispositivi e, eventualmente, alle diverse fasi di caratterizzazione in ambiente criogenico. Il lavoro di tesi proposto sarà svolto in collaborazione con il Quantum Processing Group del National Institute of Standards and Technology (NIST, Boulder, CO, USA), con i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN, con l’Università degli Studi di Firenze e con la Fondazione Bruno Kessler di Trento e saranno previsti periodi di lavoro presso le loro sedi.
• Sviluppo di un sistema di acquisizione ed analisi dati a tempo reale in ambiente RFSoC di Xilinx
  Diversi ambiti della ricerca necessitano l’utilizzo di sistemi di multiplexing e acquisizione dati nel dominio delle microonde caratterizzati da un’alta velocità e un’ampia banda di frequenza. Questi comprendono la lettura di matrici di rivelatori criogenici, con applicazioni nell’ambito della fisica della particelle, di antenne per segnali in radiofrequenza, nell’ambito dell’astrofisica, sino ad arrivare alla lettura di matrici di qubit, nell’ambito della computazione quantistica. Una valida possibilità per sviluppare questi sistemi con le caratteristiche richieste è l’utilizzo di logiche programmabili della famiglia di RFSoC Zynq® UltraScale+™ di Xilinx, progettate per applicazioni wireless 5G. Tali sistemi mettono a disposizione diversi ADC a 12 bit da 4 GSPS e diversi DAC a 14 bit da 6.4 GSPS abbinati ad una logica programmabile con 930.000 celle logiche e oltre 4200 slice DSP, che permettono lo sviluppo di algoritmi per il filtraggio, demodulazione e analisi dei dati in tempo reale con un minimo supporto da parte di un calcolatore remoto. Lo studente, una volta presa dimestichezza con l’hardware e con l'ambiente di sviluppo (supportato dal linguaggio di programmazione python) dovrà implementare, caratterizzare e validare un sistema di acquisizione basato su tecniche di multiplexing Software-defined Radio (SDR)/supereterodina in grado di leggere matrici di rivelatori criogenici accoppiati a microrisonatori superconduttivi. Lo studente inoltre potrà implementare e validare algoritmi di trigger, filtraggio ed analisi sui segnali acquisiti, normalmente applicati off-line, direttamente sulla logica programmabile, andando ad ottimizzare la catena di acquisizione ed analisi dati. Eventualmente sarà possibile implementare tecniche di classificazione dei segnali basati su algoritmi di decomposizione ai valori singolari e reti neurali. Tale sistema sarà poi eventualmente utilizzato per leggere singoli qubit o matrici di questi e per la caratterizzazione di amplificatori parametrici a rumore quantico. Lo studente nel corso del suo lavoro di tesi avrà la possibilità di collaborare con istituti italiani quali i Laboratori Nazionali di Frascati e l’Università di Milano e esteri quali l’Università di Princeton e l’istituto olandese Nikhef.

Referenti: F. Terranova, E. Bertolini, F. Bramati, A. Branca, C. Brizzolari, G. Brunetti,  P. Carniti, C. Cattadori, E. Cristaldo,  M. Delgado, A. Falcone, F. Galizzi, C. Gotti, D. Guffanti, L. Meazza, A. Minotti, G. Pessina, A. Scanu, M. Torti, H. Souza, E. Vallazza

[le tesi che prevedono soggiorni all’estero vengono svolte in collaborazione con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare che richiede una media dei voti superiore a 26]

1. Test del hadron dump instrumentato di ENUBET. L’attività di tesi prevede la partecipazione al completamento del prototipo dell'hadron dump instrumentato con PICOSEC micromegas e al suo test al CERN. La tesi si svolgerà presso i laboratori di Milano Bicocca, CERN, Saclay-Paris.
   [Tipologia: Sviluppo di Rivelatori, Attività di Laboratorio e test su fascio agli acceleratori] [Prerequisiti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio per la fisica delle particelle]
2. Implementazione della beamline di ENUBET al CERN SPS
   L’attività si svolgerà presso l’univ. di Milano Bicocca e il CERN. Prevede lo studio della configurazione di fascio (quadrupoli, dipoli, shielding) compatibile con l’installazione nelle infrastrutture CERN della North e/o West Area [Tipologia: fisica degli acceleratori, algoritmi di ottimizzazione con tecniche multivariate o Machine Learning, irradiazione e radioprotezione] [Prerequisiti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio per la fisica delle particelle, conoscenza di base del C++ o di Python]
3. Machine learning per l’identificazione degli eventi in ENUBET.
   L’attività si svolgerà presso le Univ. di Milano-Bicocca, Padova e Bordeaux. Prevede la realizzazione di algoritmi per l’identificazione di particelle in regime di alto rate.
   [Tipologia: Simulazione con Metodi Monte Carlo, analisi multivariate, machine learning]
   [Prerequisiti: conoscenza di base della programmazione in C++ e ROOT]
4. Fasci taggati di Neutrino: simulazione dell’associazione temporale (time tagging) tra i leptoni prodotti nel tunnel instrumentato di ENUBET e il rivelatore di neutrini ProtoDUNE-SP (CERN). L’attività si svolgerà presso le Univ. di Milano-Bicocca e il CERN. Prevede lo studio del time tagging a 100 ps dal punto di vista strumentale con luce VUV a 128 nm e con un photon veto a risposta veloce.
   [Tipologia: Simulazione con Metodi Monte Carlo, rivelatori a risposta rapida]
   [Prerequisiti: conoscenza di base della programmazione in C++ e ROOT, fondamenti di fisica dei rivelatori (laboratorio)]  
5. Studio dei fondi di raggi cosmici nel rivelatore di neutrini per ENUBET.
   L’attività si svolgerà presso le Univ. di Milano-Bicocca e il CERN. Prevede il design di un sistema di veto attivo per l’eliminazione del fondo da raggi cosmici dovuto alla slow extraction (estrazione basata solo su elementi statici, senza horn) della beamline di ENUBET.
   [Tipologia: Simulazione con Metodi Monte Carlo, rivelatori a scintillazione]
   [Prerequisiti: conoscenza di base della programmazione in C++ e ROOT, fondamenti di fisica dei rivelatori (laboratorio)]  
6. Studio delle sistematiche sui flussi della beamline di ENUBET.
   Prevede la stima degli errori sistematici sui flussi di ENUBET utilizzando algoritmi bayesiani e/o template (statistica frequentista). L’attività si svolgerà presso le Univ. di Milano-Bicocca e Padova.
   [Tipologia: Simulazione con Metodi Monte Carlo, statistica e tecniche di analisi dati]
   [Prerequisiti: conoscenza di base della programmazione in C++ e ROOT, fondamenti di base di statistica (laboratorio II) o corsi dedicati]  

7. Fasci di neutrini monitorati alla European Spallation Source.
   Questa tesi - finanziata dal progetto europeo ESSnuSB+ prevede lo studio di un fascio di neutrini monitorati (tecnica ENUBET) alle energie di 0.2-1 GeV e, in particolare, lo sviluppo dei rivelatori per il tagging dei muoni e la loro identificazione con metodi di machine learning. [Tipologia: Simulazione con Metodi Monte Carlo, rivelatori a risposta rapida] [Prerequisiti: conoscenza di base della programmazione in C++ e ROOT, fondamenti di fisica dei rivelatori (laboratorio)]  

Il run 2025 del rivelatore ProtoDUNE-VD. L’attività è finalizzata alla validazione del nuovo Photon Detection System presso il CERN. Prevede la partecipazione alla presa dati al CERN assieme ai gruppi CERN, Fermilab, Madrid/Valencia e Brasile.
[Tipologia: Sviluppo di Rivelatori, Analisi dati] [Prerequisiti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio per la fisica delle particelle, conoscenza di base della programmazione in C++ e ROOT]

Optoelettronica criogenica in DUNE: sviluppo di un sistema di trasmissioni dati puramente ottico per segnali analogici a 87 K. L’attività si svolgerà presso le università di Milano-Bicocca, Milano Statale Parigi (Univ. de Paris e APC) e il CERN. [Tipologia: Sviluppo di Rivelatori, Optoelettronica, Analisi dati]  [Prerequisiti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio per la fisica delle particelle, conoscenza di base dell’elettronica analogica]

Double calorimetry in DUNE: simulazione e test preliminari della risoluzione energetica di DUNE usando simultaneamente la carica raccolta dalla TPC e la luce emessa nell’estremo ultravioletto e raccolta dal Photon Detection System. La tesi si svolgera’ presso l’Università di Milano Bicocca e il Fermilab. [Tipologia: Simulazione con Metodi Monte Carlo, rivelatori ad Argon Liquido] [Prerequisiti: conoscenza di base della programmazione in C++ e ROOT, fondamenti di fisica dei rivelatori (laboratorio)]  

Neutrini solari in DUNE. La tesi prevede lo sviluppo di nuovi algoritmi per la prima osservazione assoluta dei neutrino solari provenienti dalla fusione He-p.  L'attività si svolgerà presso l’Università di Milano Bicocca e Madrid. [Tipologia: Tecniche di simulazioni, sviluppo di Rivelatori, astrofisica] [Prerequisiti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio per la fisica delle particelle, conoscenza di base della programmazione in C++ e ROOT]

Elettronica di front-end nell’esperimento DUNE. L’attivita’ di tesi e’ finalizzata allo sviluppo e caratterizzazione della scheda DAPHNE per il readout dei SiPM del Photon Detection System di DUNE e l’interfaccia con il DAQ.
[Tipologia: Sviluppo di Rivelatori, Elettronica] [Prerequisiti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio per la fisica delle particelle e/o l’elettronica]

Referenti: M. Bonesini, R. Benocci, M. Clemenza, E.H. Roman

L’esperimento FAMU intende realizzare la misura di precisione del raggio di Zemach del protone al fascio impulsato di muoni RIKEN dell RAL (Oxford, UK). A tal fine vengono prodotti degli atomi muonici e vengono studiate le loro proprietà con misure spettroscopiche. La misura si inserisce nella problematica del “Proton radius puzzle” in cui le misure con elettroni  davano valori con notevoli discrepanze con quelli con muoni, con possibili implicazioni oltre il modello standard. Si intende utilizzare un laser di nuova concezione nel MIR (6.78 micron) sviluppato al laboratorio Elettra di Trieste ed un sistema di rivelazione di raggi X basato su cristalli di LaBr3 letti da fotomoltiplicatori (INFN Bo) o array di SiPM (INFN MIB). Per ulteriori informazioni https://web.infn.it/FAMU/

1. Sviluppo di un rivelatore di fascio basato su fibre scintillanti e SiPM
   Per la presa dati dell’esperimento si pensa di utilizzare un rivelatore basato su fibre scintillanti quadrate da 1 mm lette da SiPM, per caratterizzare il fascio incidente di muoni impulsato ad alta intensità.  La tesi può riguardare sia l’analisi dei dati già raccolti con prototipi, che lo sviluppo del nuovo rivelatore. 
   [Tipologia: sviluppo rivelatori, analisi dati]
   [Prerequisiti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio e di programmazione in C++/ROOT]
2. Sviluppi di rivelatori di raggi X basati su cristalli di LaBr3 letti da SiPM
   La tesi riguarderà attività di analisi dati per runs già effettuati a RIKEN-RAL con prototipi di questi rivelatori e/o attività di laboratorio per lo sviluppo del controllo di temperatura degli arrays di SiPM utilizzati per i rivelatori finali. I rivelatori in sviluppo (da ½” e 1”) possono avere applicazioni anche in altri campi, come la fisica medica, astronomia gamma ...
   [Tipologia: sviluppo rivelatori, analisi dati]
   [Prerequisiti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio e di elettronica. Conoscenza delle tecniche di base di programmazione in C++/ROOT]
3. Analisi della funzione di trasferimento muonico con rivelatori HPGe e/o a cristalli letti da SiPM                 
   La tesi riguarderà l’analisi dei dati raccolti con rivelatori a Germanio (HPGe) e cristalli letti da SiPM durante i runs preliminari  dell’esperimento FAMU
   [Tipologia: analisi dati]
   [Prerequisiti: conoscenza delle tecniche di base di programmazione in C++/ROOT] 
4. Caratterizzazione di fibre ottiche/rivelatori nel MIR
   In collaborazione con il gruppo del Sincrotrone di Elettra (INFN Ts) ed il gruppo dell’ Istituto Nazionale di Ottica (INO CNR Fi) si collabora allo sviluppo di un sistema laser innovativo nel MIR sviluppando la parte di trasporto degli impulsi laser fino all’interno della targhetta tramite fibre ottiche innovative  e caratterizzando dei rivelatori diagnostici per luce MIR                                                                              [Tipologia: sviluppo rivelatori, caratterizzazione laser di ricerca]
   [Prerequisiti: conoscenze delle tecniche di base di laboratorio]

Referenti: M. Bonesini, R. Benocci, M. Torti

L’esperimento ICARUS è basato sulla più grande TPC ad Argon liquido funzionante al mondo (T600). Questo rivelatore è in fase finale di allestimento sul fascio di neutrini SBN a Fermilab e la sua presa dati è appena iniziata. Il gruppo di Milano Bicocca ha partecipato alla costruzione del sistema di rivelazione della luce di scintillazione emessa nel VUV (~ 128 nm) basato su 360 fotomoltiplicatori di grande area (8”) ed ha la responsabilità del suo sistema di calibrazione basato su un laser veloce ed un sistema distribuito basato su fibre ottiche. Il sistema dei PMT dovrà effettuare la rigezione del fondo di raggi cosmici, dovuto alla installazione in superfice del rivelatore Icarus T600 e sarà essenziale per il suo buon funzionamento. Per ulteriori informazioni: https://icarus.fnal.gov.

1. Utilizzo del sistema di calibrazione laser di Icarus
   [Tipologia: sviluppo rivelatori, analisi dati]
   [Prerequisiti: conoscenze delle tecniche di base di laboratorio, conoscenze delle tecniche di base di programmazione in C++/ROOT]
2. Ricerca di neutrini sterili al fascio SBN con Icarus
   [Tipologia simulazioni Monte Carlo, analisi dati]
   [Prerequisiti: conoscenze delle tecniche di base di programmazione in C++/Root]

Referenti: M. Biassoni, S. Pozzi, O. Cremonesi, L. Pagnanini, M. Pavan

Tristan è un upgrade dell’esperimento KATRIN per la ricerca del neutrino sterile mediante la misura dello spettro beta del trizio. TRISTAN prevede la sostituzione del rivelatore di elettroni usato attualmente da KATRIN con un rivelatore multi-pixel ad elevate prestazioni, basato sulla tecnologia dei Silicon Drift Detectors (SDD). Questi dispositivi sono comunemente utilizzati per la rivelazione di fotoni ottici e raggi X, invece la risposta agli elettroni è poco nota. L’esperimento è realizzato da una collaborazione internazionale e durante il corso della tesi possono essere previste attività da svolgersi presso il Max Planck Institute di Monaco o presso il KIT.

https://www.mpp.mpg.de/en/research/astroparticle-physics-and-cosmology/katrin-and-tristan-neutrinos-and-dark-matter/

1. Analisi del backscattering in KATRIN sfruttando Geant4 e Kassiopeia. Confronto con i dati di KATRIN e proiezioni per Tristan. Studio del backscattering sul detector (silicio) e sul rear-wall (oro).
2. Misure di backscattering con matrici di SDD e cannone di elettroni. Acquisizione e analisi dati, interpretazione del risultato e validazione delle simulazioni Geant4 del setup di misura.
3. Studi di sensibilità di Tristan: fisica oltre il modello standard, interazioni non-standard, emissione di nuovi bosoni leggeri.
4. Studi di sensibilità di Tristan: impatto delle sistematiche strumentali sulla sensibilità al neutrino sterile.
5. Sviluppo del software di acquisizione e analisi dati per uno spettrometro beta con Silicon Drift Detectors. La tesi consiste nello sviluppo e utilizzo di una sistema di acquisizione e di analisi dati per una matrice di 8 SDD operati in una camera a vuoto in anti-coincidenza con un sistema di veto basato su scintillatori inorganici letti con SiPM per la misura di spettri beta di interesse per la fisica nucleare.
6. Simulazione in Geant4 del setup necessario per misure di spettri beta proibiti. Applicazione dei risultati a studi di sensibilità sul parametro gA. Ottimizzazione della geometria del sistema di veto.

[Tipologia:     sviluppo rivelatori, analisi dati, sviluppo di algoritmi di analisi numerica, simulazioni MonteCarlo , analisi statistica]        

[Prerequisiti: conoscenze di base dei rivelatori di particelle. Conoscenze di base delle tecniche di laboratorio e di elettronica. Conoscenza delle tecniche di base di programmazione in C++/ROOT]

L’idea che sta alla base della proposta di esperimento denominata CHNET_TANDEM è quella di implementare, sviluppare e ottimizzare nuove tecniche di analisi non invasive e  non distruttive da utilizzarsi in ambito archeometrico per la caratterizzazione elementare di campioni appartenente ai beni culturali (reperti archeologici, opere d’arte, manufatti antichi…)

L’esperimento è finanziato dal Gruppo V e dalla rete per i beni culturali (CHNET) dell’INFN e si prefigge di implementare due tecniche analitiche: la Spettroscopia X con Atomi Muonici e la rivelazione di emissione Gamma Prompt in seguito a cattura neutronica; entrambe si basano sulla rivelazione di emissioni prompt di radiazione  elettromagnetica nel primo caso di tipo atomico (muonico), nel secondo di tipo nucleare.

La Spettroscopia X con Atomi Muonici prevede l’utilizzo del fascio di muoni del RAL (Rutherford Appleton Laboratory - Didcot - UK) presso il PORT4 della facility ISIS. Sono già stati effettuati nel 2017-2018 diversi irraggiamenti con materiali standard di riferimento e alcuni frammenti di navicelle votive in bronzo di epoca nuragica. Il lavoro di tesi riguarda l’implementazione e validazione in un codice di simulazione montecarlo basato sulla piattaforma Geant4  del CERN dei processi di formazione degli atomi muonici, successiva emissione di radiazione X caratteristica, reazioni di cattura muonica con emissione gamma prompt e implementazione del sistema di rivelazione con HpGe presente al RAL.

La PGNAA (Prompt Gamma Neutron Activation Analisys) prevede invece l’utilizzo di un fascio neutronico che attraverso una reazione di cattura radiativa fra i neutroni incidenti e i nuclei bersaglio, produce una radiazione gamma caratteristica ad alta energia (da 1-12 MeV) di tipo “prompt” che opportunamente rivelata permette la caratterizzazione elementare dei campioni sottoposti ad irraggiamento. Presso il LENA dell’UNIPV è stata allestita dall’esperimento CHNET-TANDEM (2017-2018-2019) una facility di irraggiamento utilizzante il Canale B del reattore nucleare di ricerca TRIGA MARK II dedicata alle misure di PGNAA.  

L’attività di tesi prevede la caratterizzazione del sistema di spettroscopia gamma costituito da un rivelatore  HpGe di tipo n ad alta efficienza relativa e della valutazione di tutte le sistematiche di misure nell’analisi di campioni massivi sottoposti ad irraggiamento. La valutazione dell’efficienza assoluta, necessaria per una misura di tipo quantitativo, rappresenta una delle problematica più difficili da affrontare, in quanto l’accuratezza e la riproducibilità delle misure sono influenzate da tutta una serie di parametri  quali ad esempio la riproducibilità del posizionamento e dell’area irradiata e quindi di emissione dei gamma prompt prodotti, gli effetti di auto-assorbimento per campioni diversi...etc….

Pur essendo un esperimento di “fisica applicata”, gli argomenti di tesi proposti ben si adattano alla formazione  di laureandi di fisica delle particelle sia triennali, sia magistrali.

1. Implementazione e validazione di codice di simulazione montecarlo (geant4) dei processi di formazione dell’atomo muonico, emissioni X caratteristiche e implementazione del sistema di rivelazione con HpGe presso il Rutherford Appleton Laboratory. Referenti: O. Cremonesi e M. Clemenza
2. Implementazione e caratterizzazione di un sistema di spettrometria gamma per l’analisi di attivazione neutronica di tipo gamma prompt presso il LENA. Referenti: M. Clemenza

Referenti: P. Carniti, C. Gotti e G. Pessina

CROSS (Cryogenic Rare-event Observatory with Surface Sensitivity) è un esperimento che verrà installato presso i laboratori sotterranei di Canfranc, Spagna. Si prefigge lo scopo di studiare il doppio decadimento beta senza neutrini, per la ricerca della violazione del numero leptonico e della natura del neutrino elettronico. La tecnica che si intende usare è quella criogenica in cui una matrice di cristalli composti di Molibdeno o Tellurio vengono letti da sensori termici. Con l’intento di sopprimere tutti i possibili segnali provenienti dalla radioattività naturale una nuova tecnica di discriminazione verrà applicata mediante la discriminazione in forma e/o segnale di luce. Questo esperimento è finanziato dallo European Research Council (ERC).

1. L’attività comprende lo sviluppo dei rivelatori, l’elettronica, la caratterizzazione e l’analisi dei dati e sono disponibili tesi in tutti questi contesti.
   Il lavoro è previsto essere svolto presso l’università di Paris-Sud e Canfranc in ERASMUS.

Referenti: C. Matteuzzi, M. Paganoni

Il momento magnetico anomalo del muone, g-2 , è misurato con grandissima precisione, ed è una delle poche misure in disaccordo, a livello di 3.5-4.0 deviazioni standard, dalle predizioni teoriche del Modello Standard. La predizione della teoria e dominata in precisione dalle correzioni adroniche (di per sé piccole rispetto alle correzioni leptoniche), difficili da calcolare perché richiedono la QCD. Il progetto MUonE propone di misurare sperimentalmente questi contributi adronici, misurando il running di alpha_em nell’interazione elastica μe → μe usando un fascio di muoni di 150 GeV su elettroni atomici, che esiste alla North Area al CERN. Una proposta di esperimento è in preparazione. Il lavoro di tesi (con diversi livelli di approfondimento gli argomenti possono applicarsi a triennali o magistrali) concerne uno dei seguenti argomenti, tutti attinenti alla preparazione dell’esperimento:

1. Studio della configurazione geometrica del rivelatore (il cui cuore e un tracciatore di Si).
2. Caratterizzazione di un calorimetro per misurare l'energia dell'elettrone uscente.
3. Simulazione con GEANT4 dell'apparato finale per studiarne le prestazioni in termini di tracciamento e identificazione di particelle.
4. Selezione di eventi elastici simulati e eventi reali presi durante un testbeam nel 2018.
5. La Cromodinamica Quantistica e Il contributo adronico al momento magnetico anomalo del muone (tesi teorica in collaborazione con prof. Luca Trentadue).
6. Ampiezze invarianti in Cromodinamica quantistica e dinamica di tipo spazio e di tipo tempo (tesi teorica in collaborazione con prof. Luca Trentadue).

Referenti: S. Capelli e M. Nastasi

Sviluppo di un sistema di misura per spettroscopia alfa ad alta sensibilità per misure di catene radioattive naturali.

Un aspetto di fondamentale importanza da tenere in considerazione per la realizzazione degli esperimenti di fisica degli eventi rari è la riduzione del fondo ambientale generato dalle contaminazioni radioattive naturali. Un'accurata selezione dei materiali utilizzati in fase di costruzione, in funzione delle loro contaminazioni intrinseche, risulta cruciale al fine di non inficiare la sensibilità dell'esperimento. È necessario quindi progettare rivelatori di particelle i quali, mediante lo studio dei decadimenti radioattivi, forniscano informazioni in grado di identificare le contaminazioni nei materiali ai livelli di radio-purezza richiesti dagli esperimenti.
Il lavoro di tesi riguarderà quindi lo sviluppo di un sistema di misura per spettroscopia alfa ad alta sensibilità mediante l'utilizzo di rivelatori a semiconduttore al silicio. Terminata un'iniziale fase sperimentale di realizzazione e caratterizzazione della catena di lettura, necessaria all'elaborazione dei segnali prodotti dall'interazione delle particelle con la parte attiva del rivelatore, sarà necessario implementare un algoritmo di analisi  degli eventi acquisiti in fase di misura per identificare i meccanismi di decadimento all'interno delle catene radioattive naturali. Infine saranno condotte una serie di misure sperimentali su matrici ambientali allo scopo di valutare la sensibilità e le prestazioni dello strumento.
 

Referenti: M. Carpinelli, D. Rozza, S. Della Torre

L’esperimento Virgo è l’interferometro di seconda generazione situato a Cascina (vicino Pisa) attivo sin dal 2017. Virgo fa parte di una rete di interferometri (LIGO-Hanford e LIGO-Livingston negli Stati Uniti e KAGRA in Giappone) utilizzati per l’osservazione delle onde gravitazionali. Durante i primi anni di presa dati sono stati osservati 90 eventi riconducibili all’unione di due buchi neri o a due stelle di neutroni o ad una coppia buco nero e stella di neutroni. Ad ogni nuova presa dati, gli aggiornamenti sulla macchina ne migliorano le prestazioni cercando di incrementare il rapporto segnale su rumore. Per questo motivo, lo studio del rumore ambientale (naturale e antropico) risulta di fondamentale importanza per distinguere segnali gravitazionali da artifizi dovuti alle diverse sorgenti di rumore.

Possibili proposte di elaborati di tesi magistrali:

• Studio di fondo stocastico di onde gravitazionali nel sito dell’interferometro Virgo
• Ottimizzazione dei processi di riduzione del rumore ambientale per la presa dati dell’interferometro Virgo nei run post-O5

Referenti: M. Carpinelli, D. Rozza

L’esperimento Einstein Telescope (ET) sarà l’interferometro europeo di terza generazione per la rivelazione di onde gravitazionali. Obiettivo di ET è aumentare l’intervallo di frequenza dell’osservazione di eventi gravitazionali e abbassare la sensibilità dello strumento di almeno un ordine di grandezza rispetto agli interferometri di seconda generazione. Il progetto di ET prevede la costruzione di una macchina ad un centinaio di metri sottoterra con una struttura a xilofono (due interferometri, uno criogenico, che lavorano in due intervalli di frequenza: bassa da pochi Hz a decine di Hz e alta da decine di Hz a qualche kHz). I siti candidati ad ospitare ET sono al momento due: l’Euroregione Mosa-Reno (EMR) tra Paesi Bassi, Belgio e Germania e la regione vicino alla miniera dismessa di Sos Enattos in Sardegna. La caratterizzazione delle sorgenti di rumore dei due siti è in atto da diversi anni come anche la progettazione dei nuovi sistemi della macchina.

Possibili proposte di elaborati di tesi magistrali:

• Studio di fondo stocastico di onde gravitazionali nel sito di Sos Enattos candidato per ospitare Einstein Telescope
• Analisi sismica per il contributo di rumore newtoniano alla sensibilità dell’interferomentro di terza generazione Einstein Telescope

Referenti: M. Carpinelli, D. Rozza

L’esperimento Archimedes, finanziato dalla commissione di gruppo due dell’INFN, è un esperimento di fisica fondamentale con l’obiettivo di indagare l’interazione tra le fluttuazioni di vuoto quantistico e la gravità, ossia “pesare il vuoto”. L’esperimento consiste in una bilancia ultrasensibile che peserà dei cristalli che si comportano da cavità Casimir multistrato a temperature criogeniche. L’esperimento necessità di un basso rumore ambientale, pertanto è in corso la fase di costruzione e commissioning presso il laboratorio SarGrav situato nell’area della miniera di Sos Enattos, sito sardo candidato ad ospitare Einstein Telescope.

Possibili proposte di elaborati di tesi magistrali:

• Studio dei segnali del tiltometro di Archimedes per uno studio preliminare sulla determinazione del fondo stocastico dovuto alle onde gravitazionali a Sos Enattos
• Studio e ottimizzazione del sistema di attuatori per l’esperimento Archimedes
• Ricerca di segnali di materia oscura, fotoni oscuri, mediante l’utilizzo dell’esperimento Archimedes

Referenti: T. Tabarelli, L. Canonica

La regione di onde gravitazionali di frequenza superiore a circa 10 kHz non è accessibile agli interferometri attuali è futuri, ma può essere esplorata con nuovi strumenti. Potenziali sorgenti, ancorché incerte, includono l’emissione di onde gravitazionali correlata a candidati di materia oscura, come la coalescenza di binarie di buchi neri primordiali o l’interazione tra assioni e buchi neri, o emissione associata a transizioni di fase QCD in seguito alla coalescenza di stelle di neutroni. 

1. Sviluppo e caratterizzazione di cavità acustiche per lo sviluppo di un’antenna gravitazionale in banda Ultra-High-Frequency. 
2. Studio di Superconducting Quantum Interference Devices (SQUID) per la lettura del segnale di cavità acustiche risonanti. 
3. Sono possibili studi per applicazioni alternative (test di modelli di MOND - MOdified Newton Dynamics - in regime di piccole accelerazioni, test di invarianza di Lorentz, interazione gravitone-fonone, qubit acustici).

Referenti: Stefano Della Torre, Massimo Gervasi, Davide Grandi, Giuseppe La Vacca, Davide Rozza 

AMS-02 è il più grande rivelatore di raggi cosmici che orbita attorno alla terra dal 2011 a bordo della stazione spaziale internazionale. Questo ambito di lavoro ha lo scopo di analizzare i dati provenienti dal rivelatore per fornire nuove misure sperimentali sul flusso di raggi cosmici all’orbita terrestre 

Argomenti di tesi:  

• Evoluzione dei raggi cosmici a varie cadenze temporali  
• Determinazione del flusso di particelle cariche di origine solare 
• Studio dei raggi cosmici intrappolati in magnetosfera

Referenti: Stefano Della Torre, Massimo Gervasi, Mario Zannoni 

LiteBIRD è uno strumento che si pone come obbiettivo la misura degli elusivi modi B della polarizzazione della CMB. La misura richiede una elevata conoscenza delle sistematiche strumentali. Questo ambito di lavoro ha lo scopo di analizzare l’impatto dei raggi cosmici sulla strumentazione elettronica del rivelatore MFT attraverso simulazioni e il disegno di misure di validazione delle stesse. 

Argomenti di tesi: 

• Studio energia depositata sul piano focale del MFT con GEANT4 
• Sviluppo di strumenti di Machine Learning per la creazione di un segnale di calibrazione sintetico

Referenti: Stefano Della Torre, Massimo Gervasi, Giuseppe La Vacca 

La Terra è costantemente raggiunta da particelle cariche provenienti dalla galassia e dal Sole. Questo ambito di lavoro ha lo scopo di studiare le proprietà dello spazio locale per lo sviluppo di un modello di propagazione globale che includa le più recenti osservazioni delle sonde interplanetarie. 

Argomenti di tesi: 

• Inferenza dello spettro locale interstellare 
• Equazione di Propagazione e GPU Parallel computing 
• Mezzo interplanetario e determinazione del coefficiente di diffusione 
• Studio di modelli della struttura tridimensionale dell’eliosfera 
• Studio dei plasmi spaziali attraverso l'indice politropico 

Referenti: Stefano Della Torre, Massimo Gervasi, Davide Grandi, Giuseppe La Vacca 

Lo space weather è “lo stato fisico e fenomenologico degli ambienti spaziali naturali. Scopo della disciplina associata, tramite l'osservazione, il monitoraggio, l'analisi e la modellizzazione, è quello di comprendere e predire lo stato del Sole, gli ambienti interplanetari e planetari e le perturbazioni solari e non solari che influiscono su di essi, come anche di prevedere a breve e lungo termine i possibili impatti sui sistemi biologici e tecnologici” (Lilensten & Belehaki 2011). 

Argomenti di tesi: 

• Monitoring dell'attività solare e sviluppo di applicazioni delle osservazioni in banda radio a 100 GHz con SOLARIS  
• Modelli di trasporto di particelle di origine solare 
• Osservazione e fenomenologia degli eventi solari esplosivi (SEP) 
• Analisi della permeabilità della magnetosfera in caso di eventi SEP  
• Studio dell’evoluzione della magnetosfera in funzione dell’attività solare 

Referenti: Stefano Della Torre, Massimo Gervasi, Davide Grandi, Giuseppe La Vacca, Mauro Tacconi 

Lo spazio è un ambiente ostile per gli esseri umani e per le attrezzature elettroniche. In particolare, il rischio legato alle radiazioni cosmiche (cariche e neutre) è tuttora una delle principali limitazioni allo studio e alla colonizzazione del sistema solare. Questo ambito di lavoro ha lo scopo di studiare gli effetti della radiazione spaziale sulle componenti elettroniche al fine di fornire strumenti utili alla progettazione di componenti adatti ai voli spaziali. 

Argomenti di tesi: 

• Calcolo NIEL per ioni 
• Previsione della rate di Single Event Effect per una missione spaziale nel deep space. 
• Effetti della magnetosfera terrestre 
• Survey Radiation monitor disponibili e loro modellizzazione 
• Sviluppo di strumenti web per modelli di space radiation environment e loro analisi 

Referenti: L. Pattavina

RES-NOVA è un esperimento che mira a rilevare neutrini astrofisici e la materia oscura attraverso lo scattering elastico su nuclei di Pb. Il rivelatore e' composto da cristalli di PbWO4 prodotti utilizzando Pb Romano di origine archeologica ed operati come calorimetri a temperature criogeniche.

Argomenti di tesi:

• Linearizzazione della risposta in energia di sensori operati in transizione di superconduttore (TES) per l’esperimento RES-NOVA
• Sviluppo di un classificatore per l’identificazione dei rinculi nucleari e abbattimento del fondo per l’esperimento RES-NOVA
• Analisi dati di un rivelatore prototipo per RES-NOVA
• Sviluppo del modello di fondo del rivelatore RES-NOVA
• Studio dell'attivazione cosmogenica in cristalli di PbWO4 prodotti con Pb romano per l'esperimento RES-NOVA

Per ulteriori informazioni potete contattare i referenti di esperimento menzionati insieme agli argomenti di tesi o, più in generale, il referente di Fisica delle Particelle, M. Martinelli (maurizio.martinelli@unimib.it).