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

Ultimo aggiornamento 05/12/2023, prossimo aggiornamento 08/01/2024

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.
   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 will start in 2021. The student will analyze data from LHC CMS Run II 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
   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.
   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
    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.

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

L’esperimento LHCb si svolge al Cern dove raccoglie dati di collisioni protone-protone nel Large Hadron Collider. E’ dedicato principalmente allo studio della fisica fondamentale nell’ambito 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, la preparazione dell’analisi dei dati del Run3 e gli studi per i futuri upgrades del rivelatore. Per le tesi di analisi dati è preferibile una conoscenza di base della programmazione in Python o in C++ e dell’uso di Root.

1. Test di universalità leptonica nei decadimenti semileptonici dei mesoni B in stati finali con muoni e tauoni.
   Negli ultimi anni sono state osservate diverse discrepanze dalle previsioni del Modello Standard nei decadimenti semileptonici dei mesoni B, dette “B anomalies”, che sfidano l’assunzione dell’universalità degli accoppiamenti elettrodeboli dei leptoni di diverse famiglie. Le “B anomalies” possono essere spiegate dall’introduzione di Fisica oltre il MS, ma sono necessarie nuove misure per chiarire o confermare le osservazioni.
   In questo ambito si propongono due tesi, che utilizzano i dati raccolti da LHCb nel Run2, e campioni di dati simulati, di decadimenti semileptonici di mesoni B con tauoni o muoni nello stato finale.
   La prima tesi riguarda l’aggiornamento della misura di R(D): il rapporto tra le rate dei decadimenti B -> D^(*) mu nu e B -> D^(*) tau nu, affrontando anche lo studio di variabili alternative (ottenute con tecniche di Machine learning) alle tre tradizionali utilizzate nelle analisi attuali per discriminare tra decadimenti del mesone B in leptone tau o in leptone mu. La seconda tesi riguarda l’analisi della decay rate differenziale per effettuare test di nuova Fisica  in un approccio model-independent. Si effettuerà uno  studio di sensitività ai coefficienti di Wilson  (in una descrizione di Teoria di Campo Efficace) effettuando un’analisi angolare del decadimento.
   Per entrambe le tesi, eventuali periodi presso l’Università di Zurigo potrebbero essere finanziati tramite il programma Erasmus+.
   Skills:  Programmazione base in C++ o in Python. Utilizzo di ROOT trees.
2. 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.
   Skills:  C++ or Python programming. Use of  ROOT trees. Some basic knowledge of Machine Learning is preferable.
3. Sviluppo di algoritmi per computer quantistici per il tracciamento delle particelle
   I computer quantistici offrono la possibilità di sviluppare algoritmi di nuova concezione sfruttando le proprietà intrinseche di questi nuovi computer. Il lavoro di tesi in questione propone di sviluppare un algoritmo di tracciamento per le tracce prodotte da particelle che interagiscono all’interno del rivelatore di vertice di LHCb con l’obiettivo di confrontarne il rendimento rispetto a degli algoritmi che utilizzino architetture CPU o GPU. Il lavoro di tesi verrà svolto in collaborazione con ricercatori dell’Università di Maastricht (NL) e di IBM. Eventuali periodi presso l’Università di Maastricht potrebbero essere finanziati tramite il programma Erasmus+.
4. Implementation and development of a tracking reconstruction algorithm based on RETINA in a state-of-the-art FPGA array.
   Field Programmable Gate Arrays (FPGA) are computer boards that can be programmed to perform with high speed and efficiency specific algorithms. An algorithm particularly suited for this technology is RETINA, which is inspired from how the neurons use the retina information to reconstruct the image.
   It is proved that similar algorithms are successful in reconstructing tracks at a very fast rate, making their use of interest for triggering purposes in High Energy Physics experiments. LHCb is already using RETINA to perform the clustering in its vertex detector and would like to extend its use to the downstream tracking stations to expand the physics reach of the experiment in Run4 and beyond. A test-bed is already in place at CERN to parasitically analyse the data recorded by LHCb in Run3. The mini-array of FPGA that will be soon installed at Milano-Bicocca will allow to perform studies with the technology that is suitable for the Run4 data taking.
   This proposal offers the opportunity to be involved in this process from its inception and to gain experience in a rapidly evolving field of artificial intelligence technologies.
5. Misura dell’elemento di matrice Vub dal decadimento Bs->K mu nu.
   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. Utilizzando i dati del Run1, LHCb ha appena effettuato la prima osservazione del decadimento semileptonico Bs -> K mu nu e la prima misura di Vub da un decadimento del Bs (PRL 126 (2021) 081804). La tesi propone lo studio di questo decadimento con i dati raccolti nel Run2 per la misura della decay rate differenziale. Fra i diversi aspetti che possono essere considerati per la tesi: la selezione degli eventi con tecniche di Machine Learning, la validazione dell’uso di fast simulation per la produzione di eventi di segnale e fondo, lo studio del fondo dovuto a decadimenti in mesoni K eccitati, e infine la determinazione di Vub.
   Eventuali periodi presso l’Università Sorbona di Parigi potrebbero essere finanziati tramite il programma Erasmus+.
6. 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.
   Skills:  Programmazione in C++ o Python. Utilizzo di ROOT trees.
7. Misura di mixing e violazione di CP nei decadimenti semileptonici del D⁰→Kμν
   Il decadimento doppio Cabibbo soppresso D⁰→K⁺μ⁻ν avviene direttamente oppure attraverso mixing del D⁰ in D̅⁰ e decadimento Cabibbo favorito di quest'ultimo. La presenza di due processi che interferiscono tra loro introduce una variazione del tasso di decadimento di D⁰→K⁺μ⁻ν al variare del tempo di decadimento dipendente dai parametri di mixing del D⁰. La misura più precisa di questi parametri risale all'esperimento Belle che nel 2008 ha raggiunto una precisione di 0.03% per il rapporto di mixing integrato nel tempo Rm. Studi preliminari sul campione raccolto da LHCb nel Run1 (3/fb), mostrano di poter migliorare questo risultato e raggiungere precisioni di 0.01%. Aggiungendo i dati del Run2 (6/fb), si potrebbe raggiungere una precisione di circa 0.005%. Il lavoro di tesi prevede lo sviluppo di una selezione degli eventi utilizzando tecniche di machine learning applicate ai dati raccolti da LHCb, lo studio dei fondi dovuti a decadimenti in mesoni K eccitati e la misura del rapporto di mixing integrato nel tempo di decadimento Rm e la misura di violazione di CP nel mixing tramite la separazione dei campioni di D⁰ e D̅⁰.
   Skills:  Programmazione in C++ o Python. Utilizzo di ROOT trees.
8. 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 nel triennio 2016-2018.
9. Identifying radiative charm decays
   Radiative decays of charm quarks to up quarks are extremely suppressed by the GIM mechanism, and little is known about them. They are considered a very promising candidate to uncover contributions of physics beyond the Standard Model to the up-quark sector.
   LHCb has already collected a huge dataset of several billion charm mesons. However, attempts to disentangle their rare radiative decays from more common hadronic decays have not been very successful so far. We propose developing and testing a new method based on photons converting to electron-positron pairs, which promises to reduce the huge background coming from neutral pions.
   This work involves developing an advanced machine-learning classifier to filter out most of the background and fitting the kinematic distributions of the selected sample to statistically subtract the residual background. Isolating these decays could allow LHCb to study their decay rate, CP asymmetry and photon polarisation with world-best precision.
   Skills: python, statistics, ML
10. Deep Learning for Ultra-fast Simulation
    Il tasso di eventi registrati a LHC porta ai limiti le risorse di calcolo dedicate alla simulazione. In vista dei prossimi Run e di HL-LHC stiamo sviluppando tecniche di simulazione ultra-fast. In particolare il software Lamarr bypassa la fase di simulazione della risposta del rivelatore e della ricostruzione per riprodurre le variabili ad alto livello utilizzate in fase di selezione degli eventi utilizzando algoritmi di intelligenza artificiale basati su Generative Adversarial Networks (GAN) e Boosted Decision Trees (BDT).
    Si propone di sviluppare una pipeline per simulare la risposta di LHCb alle tracce prodotte dai decadimenti di particelle a lunga vita media. Il lavoro verrà svolto con Tensorflow tramite Jupyter notebooks e una GPU (Nvidia A100) di ultima generazione sarà disponibile per i test.

Attività LHCb su Rivelatori di particelle

Referenti: M. Calvi, L. Martinazzoli, 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 di 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), sui quali si basano la seguente proposta di tesi:

Studio delle performance di diversi prototipi di calorimetro elettromagnetico da simulazioni Monte Carlo e test su fascio

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.

Un aspetto innovativo riguarda lo studio della capacità del calorimetro elettromagnetico di distinguere elettroni, muoni, pioni carichi e kaoni carichi sulla base del differente profilo di deposizione di energia, sia nella direzione parallela alla traiettoria di volo delle particelle, che nel piano trasverso. Si valuterà anche la possibilità di utilizzare l’ottima risoluzione temporale dei prototipi per distinguere tra i diversi tipi di adroni, a basso momento.

Sono possibili periodi di soggiorno al Cern per partecipare all’attività sperimentale e alle misure di prototipi con fasci di particelle.

Skills: Programmazione in C++ o Python. Uso di ROOT trees.

R&D on maximum information crystal calorimetry for future Higgs Factories: from conceptual design to prototyping

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.

Attività di R&D per lo sviluppo di un Muon Collider

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

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 

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 una decina di 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, ...

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 traccia 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. Studio delle componenti del fondo radioattivo atteso per l’esperimento JUNO.
   Questa attività utilizza le tecniche di simulazione Monte Carlo per la propagazione delle particelle, dalla loro generazione all’interno dei materiali costituenti l’apparato sperimentale fino alla deposizione dell’energia nel volume attivo del rivelatore, per prevedere lo spettro di fondo atteso dall’esperimento sia in termini di tasso di conteggi che di forma dello spettro energetico. Tale studio è di cruciale importanza per tutti i canali di fisica oggetto di studio da parte di JUNO, in particolare per la determinazione della gerarchia di massa dei neutrini e per la rivelazione dello spettro dei neutrini solari generati dal decadimento del 8B. Il laureando imparerà a padroneggiare i codici di simulazione e a sviluppare metodologie di analisi dei risultati ottenuti al fine di migliorare la capacità di discriminazione del segnale fisico di interesse.

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: F. Terranova, F. Bramati, A. Branca, C. Brizzolari, G. Brunetti, C. Cattadori, E. Cristaldo,  M. Delgado, A. Falcone, C. Gotti, D. Guffanti, L. Meazza, A. Minotti, E. Parozzi, G. Pessina,  M. Torti, V. Mascagna, 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 dimostratore di ENUBET. L’attività di tesi prevede la partecipazione al completamento del prototipo a grande scala di ENUBET (“dimostratore”) e ai suoi test al CERN a ottobre 2023. La tesi si svolgerà presso i laboratori di Milano Bicocca, Legnaro e CERN
   [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. Simulazione delle interazioni di neutrino prodotti da ENUBET su ProtoDUNE-SP. L’attività di tesi si svolgerà presso le Univ. di Milano-Bicocca, Padova, Zagabria e Bordeaux. Prevede la simulazione delle interazioni di neutrino elettronico e muonico in ProtoDUNE-SP e la ricostruzione degli stati finali.
   [Tipologia: Simulazione con Metodi Monte Carlo] [Prerequisiti: conoscenza di base della programmazione in C++ e ROOT]
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 II del rivelatore ProtoDUNE-SP. L’attività è finalizzata al test e installazione del nuovo Photon Detection System presso il CERN. Prevede la partecipazione alle attività di preparazione del Run II assieme ai gruppi CERN, CIEMAT (Madrid), Praga, Fermilab 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]

Studio del neutrinoless double beta decay con Argon liquido dopato con Xenon in DUNE. Il doping (>300ppm) permette di incrementare il light yield e esplorare la possibilità di realizzare nel terzo modulo di DUNE un esperimento di decadimento doppio beta a grandissima sensibilità.  L'attività si svolgerà presso l’Università di Milano Bicocca e il CERN. [Tipologia: Tecniche di simulazioni, sviluppo di Rivelatori, Radioattività] [Prerequisiti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio per la fisica delle particelle, conoscenza di base della programmazione in C++ e ROOT]

Trapping e rivelazione di luce nell’estremo ultravioletto a temperatura criogenica. L’obiettivo della tesi è dimostrare che il sistema di trapping di DUNE è in grado di raggiungere le specifiche di progetto sia dal punto di vista dell’efficienza di rivelazione sia di quello delle performance di fisica. [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 criogenica nell’esperimento DUNE. L’attivita’ di tesi e’ finalizzata allo sviluppo e caratterizzazione di Silicon Photomultiplier con amplificazione a freddo per la rivelazione della luce di scintillazione nell’Argon Liquido. Tale sistema verrà testato al CERN nell’ambito del Cold Box Test 3 e 4 del DUNE Vertical Module.  L’attività si svolgerà presso le Università di Milano-Bicocca, Milano-Statale e il CERN. Prevede l’ottimizzazione e i test dell’elettronica criogenica, la sua caratterizzazione a 77 K e lo studio della risposta dei SiPM in configurazione di ganging attivo con la scheda DAPHNE.
[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

COSINUS (Cryogenic Observatory for SIgnals seen in Next-generation Underground Searches) è un esperimento che ha appena vinto un cospicuo finanziamento dal Max Planck Institute (https://www.lngs.infn.it/it/news/shaeffner-grant).  Il suo obiettivo è lo studio della materia oscura con rivelatori criogenici composti da cristalli di Ioduro di Sodio (NaI) letti da sensori di tipo TES (Transition Edge Sensors).

1. L’attività di tesi proposta comprende lo sviluppo dei rivelatori, l’elettronica, la caratterizzazione e l’analisi dei dati e sono disponibili tesi in tutti questi contesti. Di più sull’esperimento si può trovare qui: https://www.lngs.infn.it/en/cosinus-eng.
   Lo sviluppo del lavoro di tesi prevede soggiorni presso il laboratorio del Gran Sasso e la possibilità di finanziare una borsa di studio a supporto.

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.
 

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, P. Govoni (pietro.govoni@unimib.it).