Argomenti per la prova finale della laurea magistrale - Fisica delle Particelle

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

Ultimo aggiornamento 23/04/2021, prossimo aggiornamento 24/05/2021

Esperimento CMS

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 la 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, di analisi statistica dei dati, di studio di funzionamento del rivelatore e di preparazione di importanti upgrade previsti per la fase di acquisizione ad alta luminosità.

 

  1. Design and characterization of ultra-high radiation-tolerant pixel detectors for the high-luminosity upgrade of CMS: 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. Sviluppo del timing detector di CMS per l’upgrade di fase 2.
    Attività strumentali di qualifica di prototipi e proiezioni
  3. Study of the Higgs boson self-coupling at the LHC: 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 favourite 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.
  4. Thesis subjects on Flavour Physics studies in CMS: search for the Lepton Flavour Violating τ → 3μ decay mode; search for Flavour Changing Neutral Current decays of B0 mesons: after completion of the first phase of the LHC programme, the particle field entered into a new exploratory era. The flavour sector, being sensitive to high physics scale, opens a window on possible beyond SM indirect effects in rare processes such as: LFV (Lepton Flavour Violating) τ → 3μ and FCNC (Flavour Changing Neutral Current) D0 to K*0ll. The ability of the CMS experiment to make precision heavy flavours measurements has been clearly demonstrated by the results from Run-I and Run-II data performed by our group.
  5. 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.
  6. ML 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.
  7. ECAL and noise.
    The increased effective noise in the CMS Electromagnetic Calorimeter (ECAL) observed in Run II and predicted in Run III 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).
  8. Applicazione di tecniche di Unsupervised Learning per Anomaly Detection, per identificare segni di fisica oltre il Modello Standard nei dati di CMS in modo agnostico rispetto ad ipotesi esplicite di nuova fisica
    LHC è stata una fucina di risultati straordinari per quanto riguarda il modello standard. Purtroppo però ad oggi non ci sono segnali evidenti di una fisica non prevista dal modello. Uno dei possibili motivi per cui nessun segnale è stato ancora visto è che stiamo cercando nel posto sbagliato. Tutte le analisi attualmente in corso si basano sulle predizioni teoriche di determinati modelli, è necessario complementare queste analisi con altre che invece riescano a identificare deviazioni dal modello standard senza seguire modelli predefiniti. Ultimamente  tecniche di anomaly detection tramite modelli di unsupervised deep learning si sono  dimostrato un promettente  ramo di ricerca in tal senso. Un primo step sarebbe sicuramente quello di portare queste tecniche a livello di trigger per assicurarsi di riuscire a salvare eventi interessanti per una successiva analisi offline. 
  9. Sviluppo di tecniche di ML per la determinazione della massa invariante di due tau provenienti dal decadimento di un bosone di Higgs a LHC
    Uno dei decadimenti più importanti del bosone di Higgs sicuramente quello in coppie di tau. Il tau è il leptone più pesante previsto dal modello standard e decade prima di raggiungere i primi layer del tracciatore di CMS. Viene quindi ricostruito solo tramite le particelle in cui decade tra le quali sono sempre presenti uno o due neutrini. La presenza di queste particelle rende incompleta la ricostruzione esatta del quadrimpulso originale del tau (prima del suo decadimento)  con un effetto negativo sulla determinazione della massa invariante del sistema dei due tau. Esistono sofisticate tecniche per assegnare l'energia mancante misurata nell'evento ai tau e rendere quindi possibile una ricostruzione totale del quadrimpulso. Queste tecniche sono tuttavia imprecise e molto costose in termini di uso di cpu power. Recentemente nuove tecniche basate su deep neural network hanno mostrato notevoli miglioramenti rispetto alle tecniche tradizionali ed il loro sviluppo potrebbe portare migliorie significative alle analisi legate alla produzione di coppie di Higgs.

Esperimento LHCb

Referenti: M. Calvi, S. Capelli, P. Carniti, D. Fazzini, C. Gotti, M. Martinelli, S. Meloni, J. Garcia Pardiñas, G. Pessina, E.Shields and C. Matteuzzi

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.  Le tesi proposte riguardano l’analisi dei dati raccolti dall’esperimento LHCb negli anni 2011-2018, la preparazione dell’analisi provenienti della prossima presa-dati che si effettuerà con il nuovo rivelatore (LHCb Upgrade) e gli studi per i futuri upgrades del rivelatore RICH. Per le tesi di analisi dati si richiede una minima conoscenza di base della programmazione in Python o C++ e dell’uso di Root.

  1. Ricerca del decadimento che viola la conservazione del sapore leptonico tau -> mu mu mu.
    Il decadimento tau -> mu mu mu viola la conservazione del sapore leptonico assunta dal Modello Standard, ma il tasso di decadimento risulta innalzato in alcuni modelli di Nuova Fisica, in particolare in connessione con modelli che spiegano le possibili violazioni dell’universalità leptonica. LHCb ha dato un limite superiore al tasso di questo decadimento utilizzando i dati del Run1 (JHEP02(2015)121).  Nella tesi si affronterà l’analisi dei dati raccolti da LHCb nel Run2 che può migliorare notevolmente il risultato precedente anche grazie all’introduzione di nuovi algoritmi di machine learning per la selezione e l’identificazione del segnale.
    Skills:  Programmazione in Python per l’analisi multivariata (neural network e MVA ). Utilizzo di ROOT trees.
  2. Test di universalità leptonica nei decadimenti semileptonici dei mesoni B in stati finali con muoni e tauoni.
    Alcune anomalie osservate recentemente nei decadimenti dei mesoni B sfidano l’assunzione del Modello Standard dell’universalità degli accoppiamenti elettrodeboli dei leptoni di diverse famiglie. Utilizzando campioni di dati raccolti da LHCb nel Run2, e campioni di dati simulati si studieranno le decay rate differenziali dei decadimenti B -> D(*) mu nu e B->D(*) tau nu  per effettuare test di nuova Fisica, in un approccio model independent.
    In questo ambito si propongono due possibili tesi: la prima si concentra sulla misura di R(D) affrontando lo studio di variabili alternative alle tre tradizionali utilizzate nelle analisi attuali per discriminare tra decadimenti del mesone B in leptone tau o in leptone mu;  la seconda si concentra sullo studio di sensitività ai coefficienti di Wilson (in una descrizione di Teoria di Campo Efficace) effettuando un’analisi angolare.
    Skills:  Programmazione base in C++ o Python. Utilizzo di ROOT trees.
  3. Design of a Deep Full Event Interpretation for LHCb and application in semitauonic B decays
    To face the challenges of a large increase in instantaneous luminosity in the upcoming Run3 of LHCb, that implies augmented event complexity and background levels, a Deep Full Event Interpretation (DFEI) during trigger is proposed. A deep neural network will process the low-level information from the detector and infer the heavy-hadron decays that occurred in the event. The student will have a role in the optimisation of the different neural networks and in the advanced process of “event selection”. This will imply processing the information from the different sub-detectors, understanding the most typical decay processes in the experiment, the different kinds of backgrounds, the simulation, etc.. The student will also participate in the setting up of the first application of DFEI: the first angular analysis of semitauonic decays at LHCb.
    Skills:  C++ or Python programming. Use of  ROOT trees. Some knowledge of Machine Learning is preferable.
  4. 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. 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.
  5. Misura di mixing e violazione di CP in D⁰→ Kπππ
    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→ Kπππ che ha mostrato un interessante potenziale in alcuni studi basati su una statistica limitata. Il lavoro di tesi si propone di determinare la sensitività della misura utilizzando i dati del Run2 di LHCb. Insieme ad un lavoro di selezione degli eventi ed analisi dei dati per estrarre la misura, si possono  sviluppare simulazioni Monte Carlo per determinare con pseudo-esperimenti la miglior strategia per effettuare l'analisi.
    Skills:  Programmazione in C++ o Python. Utilizzo di ROOT trees.
  6. Studio del modello di decadimento per il D0->KSK+K-.
    Il decadimento D0->KSK+K- avviene attraverso diverse risonanze intermedie con valori di CP opposti e  l’ampiezza totale del decadimento è la somma delle diverse ampiezze. Lo studio della dipendenza temporale delle frazioni delle diverse componenti fornisce sensibilità al mixing D0-D0bar e alla possibile violazione di CP. Lo scopo di questo progetto è la costruzione del modello di decadimento per il D0->KSK+K- il calcolo delle diverse frazioni e la valutazione delle incertezze dovute alla variazione nella composizione. Si scriverà il modello utilizzando il linguaggio Python.
    Si prevede che questo elaborato venga scritto in inglese.
    Skills:  Programmazione in C++ o Python. Utilizzo di ROOT trees

Esperimenti CUORE e CUPID

Referenti: S. Capelli, O. Cremonesi, M. Pavan, C. Brofferio, M. Biassoni, E. Previtali, L. Gironi, S. Pozzi, I. Nutini

  1. Sviluppo e ottimizzazione di un algoritmo per la generazione di synthetic data in esperimenti per gli eventi rari.  Approfondimento: al fine di estrarre dai dati grezzi la massima informazione, le procedure di analisi dati e ricostruzione degli eventi applicate negli esperimenti per la fisica degli eventi rari, ed in particolare in quelli basati su rivelatori termici come l'esperimento CUORE, sono particolarmente complesse. Un aspetto critico è che ogni passaggio di queste procedure abbia un effetto perfettamente compreso e prevedibile. La tesi consiste nello sviluppare e ottimizzare un algoritmo di generazione di dati sintetici (synthetic data) con proprietà note (spettro energetico, distribuzione temporale, contaminazione di eventi spuri, etc...) a partire da simulazioni Montecarlo effettuate con Geant4. I dati verranno poi analizzati con il software di event reconstruction di CUORE e confrontati con dati reali.
  2. Analisi della regione di bassa energia dello spettro energetico di CUORE. Approfondimento: la costruzione di un modello completo dello spettro energetico di CUORE è un passaggio fondamentale dello studio dei processi di fisica di interesse. La precisa localizzazione delle sorgenti radioattive all'interno del setup sperimentale richiede lo studio e la comprensione delle caratteristiche della parte a bassa energia dello spettro. Le difficoltà nella caratterizzazione di questa regione deriva dalla sostanziale assenza di strutture definite (la maggior parte dei processi che contribuiscono hanno spettri continui) e dalla necessità di conoscere con grande precisione eventuali effetti strumentali come soglie, efficienze variabili con l'energia e non linearità nella risposta dei rivelatori. La tesi affonterà queste problematiche in modo organico con l'utilizzo di software per la ricostruzione degli eventi e simulazioni Montecarlo basate su Geant4.
  3. Sviluppo di un trigger a reti neurali. I bolometri utilizzati per la ricerca del doppio decadimento beta utilizzano sistemi di trigger software. Lo scopo di questa tesi è di sviluppare una rete neurale capace di triggerare i segnali di particella distinguendo la forma della risposta a un’interazione di particella da risposte a segnali spuri quali interferenze elettromagnetiche o segnali termici di differente origine.
  4. Studio della line-shape di un bolometro. La forma della risposta di un bolometro a un segnale monocromatico (lineshape) è  attualmente basata su una ricostruzione multiparametrica che scala con l’energia del segnale e con il rate in modo poco controllato. Lo scopo di questa tesi è di sviluppare un modello capace di spiegare la lineshape, utilizzando simulazioni del rivelatore e dati provenienti da misure dedicate che saranno realizzate nella test-facility deli Laboratori Nazionali del Gran Sasso.
  5. Machine learning per la ricostruzione della topologia degli eventi in CUORE. In una matrice cubica di mille rivelatori la topologia degli eventi può essere importante per la ricostruzione sia delle sorgenti di fondo che di quelle di segnale (decadimenti sugli stati eccitati). La tesi avrà come obiettivo lo studio di un algoritmo di identificazione e classificazione degli eventi, utilizzando sia campioni di dati misurati che simulati.
  6. Identificazione di particella in CUPID. I bolometri scintillanti utilizzati dall’esperimento CUPID consentono di identificare la particella interagente sulla base dei segnali di luce e calore. La tesi avrà come obiettivo lo studio di un algoritmo di identificazione e classificazione degli eventi (basato su algoritmi di machine learning), e la progettazione e realizzazione di misure dedicate per la costruzione di campioni di dati prodotti da interazione di differente particelle (sorgenti di neutroni, sorgenti alfa …).
  7. Misure con bolometri scintillanti per lo studio di velocità, shape e ampiezza del segnale. Questa tesi, a carattere prettamente sperimentale, prevede di progettare e realizzare misure volte alla comprensione e ottimizzazione dei bolometri scintillanti che saranno impiegati nell’esperimento CUPID. Potranno essere studiati differenti aspetti che vanno da quelli legati all’ottimizzazione della raccolta di luce (scelta di materiali e trattamenti superficiali) allo studio della risposta temporale (riconoscimento e reiezione dei segnali di pile-up sul fronte di salita).
  8. Sviluppo e caratterizzazione di sensori a semiconduttore, prodotti per drogaggio avvenuto mediante irraggiamento in un reattore (NTD). Proposta di tesi a forte connotazione di laboratorio/strumentale. Approfondimento: L’attività di tesi prevede lo sviluppo completo di un sistema di caratterizzazione a basse temperature (pochi mK) per NTD tramite termometria basata su Johnson Noise e lettore SQUID, abbinato allo studio della variazione di sensibilità dei sensori con diversa esposizione a reattore. La tesi si svolgerà presso il lab. Criogenia di MiB. Competenze che si acquisiranno: vuoto, criogenia, sensoristica sofisticata, SQUID, ottimizzazione dell’ acquisizione dati e loro analisi.

    In generale   [Tipologia: Sviluppo di Rivelatori, Analisi dati, Modellistica]

    [Prerequisiti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio per la fisica delle particelle, conoscenza di base della programmazione in C++ e ROOT]

 

Esperimento GERDA/LEGEND

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]

Esperimento JUNO

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.

Esperimento HOLMES

Referenti: A. Nucciotti, M. Borghesi, M. Faverzani, E. Ferri, A. Giachero, A. Puiu

HOLMES è un progetto finanziato dallo European Research Council (ERC) con un Advanced Grant. 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. Microfabbricazione e ottimizzazione di rivelatori TES. Un Transition Edge Sensor è un microcalorimetro che converte l’energia di una particella in una misurabile variazione di temperatura la quale, a sua volta, viene convertita in segnale elettrico. Sono sensori con alte risoluzioni energetiche, che vengono usati in svariati campi di ricerca. Le richieste di HOLMES prevedono un’alta risoluzione energetica unita a un'altissima risoluzione temporale e un’elevata capacità di multiplexing. Il laureando parteciperà a tutti gli step che porteranno alla misura di 16 array di TES, per un totale di 1024 rivelatori, dalla microfabbricazione allo studio delle performance dei rivelatori e di un sistema di calibrazione.
  3. Sviluppo di algoritmi 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.
  4. 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++.
  5. 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.
  6. Studio del fondo di raggi cosmici e radioattività naturale. Un parametro critico per che influenza la sensibilità sperimentale sulla massa del neutrino è dato dal fondo. E' perciò necessario avere una valutazione precisa delle componenti dovute a radioattività ambientale e raggi cosmici. Le attività previste per la tesi riguardano: simulazioni montecarlo con GEANT4, misure del fondo all'interno del criostato con TES (Transition Edge Sensors) e misure del fondo nel laboratorio con HPGe (High-purity Germanium).

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

Esperimenti DARTWARS e SQMS (tecnologie quantistiche)

Referenti: Andrea Giachero, Matteo Borghesi, Marco Faverzani, Elena Ferri, Angelo Nucciotti

  • Esperimento DARTWARS

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. L’obiettivo del progetto progetto DARTWARS è la progettazione e sviluppo di un amplificatore parametrico innovativo caratterizzato da larga banda e ampio guadagno e capace di operare con una sensibilità limitata soltanto dal principio di indeterminazione, raggiungendo il cosiddetto limite di rumore quantistico. Un sistema di lettura con queste caratteristiche permettere un notevole passo avanti nella tecniche di multiplexing a microonde permettendo 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 amplificatore parametrici, alla loro produzione presso la Fondazione Bruno Kessler (FBK, Trento) e l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM, Torino), 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. Il lavoro di tesi proposto permetterà di collaborare anche con diversi istituti internazionali coinvolti del 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.
 

  • Esperimento SQMS

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 questo. 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 prototipo 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 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.

  • 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 particella, 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 esteri quali l’Università di Princeton e l’istituto olandese Nikhef.

 

Fisica del Neutrino agli Acceleratori

Referenti: F. Terranova, A. Branca, C. Brizzolari,G. Brunetti, C. Cattadori, E. Cristaldo,  M. Delgado, A. Falcone, C. Gotti, D. Guffanti, A. Minotti, E. Parozzi, G. Pessina, H. Souza, M. Torti, V. Mascagna, M. Spanu, E. Vallazza

Esperimento NP06/ENUBET
  1. Realizzazione del dimostratore di ENUBET.
    L’attività di tesi prevede la partecipazione alla realizzazione del prototipo a grande scala di ENUBET (“dimostratore”) e il test preliminare di Novembre 2021. 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 della linea di fascio di ENUBET.
    L’attività di tesi si svolgerà presso le Univ. di Milano-Bicocca, Padova e Bordeaux. Prevede la simulazione, trasporto e identificazione dei secondari prodotti nella linea di trasferimento di ENUBET
    [Tipologia: Simulazione con Metodi Monte Carlo, fisica degli acceleratori]
    [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]  

Esperimento DUNE
  1. Downselection dei fotosensori criogenici per l’esperimento DUNE.
    L’attività di tesi è finalizzata allo sviluppo e caratterizzazione di Silicon Photomultiplier con amplificazione a freddo per la rivelazione della luce di scintillazione nell’Argon Liquido. 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.
    [Tipologia: Sviluppo di Rivelatori]
    [Prerequisiti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio per la fisica delle particelle e/o l’elettronica]
  2. 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]
  3. Studio del doping con lo Xenon in DUNE per 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, analisi dati]
    [Prerequisiti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio per la fisica delle particelle, conoscenza di base della programmazione in C++ e ROOT]
  4. 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]
  5. 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, Parigi (Univ. de Paris e APC), Bologna 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]
  6. 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)]  

Esperimento FAMU al RAL

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://www.researchgate.net/publication/311842558_The_proton_radius_puzzle

  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 effettuati nel corso del 2018 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.
    [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 2017-2018 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]

Esperimento Icarus sul fascio SBN a Fermilab

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 corso di allestimento sul fascio di neutrini SBN a Fermilab e l’inizio della sua presa dati è previsto per fine 2019, inizio 2020. Il gruppo di Milano Bicocca partecipa alla costruzione al 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. 

  1. Sviluppo 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]

Progetto TRISTAN

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

Il progetto studia la fattibilità di 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 multipixel 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 lo spettrometro di Troitzk.

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

 

  1. Sviluppo del software di acquisizione e analisi dati per uno spettrometro beta con Silicon Drift Detectors.
    Descrizione: gli SDD (Silicon Drift Detectors) sono dispositivi ampiamente utilizzati per la rivelazione di raggi X. La possibilità di applicare la stessa tecnologia alla rivelazione e misurazione di elettroni è stata recentemente indagata e il numero di possibili applicazioni è in rapida crescita. Una delle applicazioni più promettenti è la misura di precisione di spettri beta di isotopi di interesse per la fisica nucleare e degli eventi rari. 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.
  2. Caratterizzazione della funzione di risposta di Silicon Drift Detectors per misure di spettri beta.
    Descrizione: affinchè gli SDD (Silicon Drift Detectors) possano essere utilizzati come rivelatori nell'esperimento Tristan per la ricerca del neutrino sterile presso KATRIN è fondamentale lo sviluppo di un modello accurato della risposta del dispositivo a deposizioni energetiche in prossimità della finestra di ingresso da parte di elettroni di energia dell'ordine delle decine di keV. Durante la tesi si confronteranno simulazioni Montecarlo basate su Geant4 e ottimizzate per la descrizione dell'interazione di elettroni di bassa energia con la materia con misure di elettroni monocromatici e sorgenti X e gamma effettuate con SDD di geometria nota al fine di sviluppare un modello tridimensionale dell'efficienza di conversione energia-segnale all'interno del dispositivo.
  3. Studi di sensibilità dell'esperimento Tristan per la ricerca del neutrino sterile.
    Descrizione: l'esperimento Tristan si pone l'obiettivo di ricercare, attraverso una misura ad alta precisione e alta statistica della forma spettrale del decadimento beta del trizio, la segnatura sperimentale dell'esistenza di una quarta generazione di neutrini (neutrino sterile) con massa dell'ordine di pochi keV. Tristan utilizzerà un innovativo rivelatore di piano focale installato nello spettrometro elettromagnetico dell'esperimento KATRIN. La tesi consiste nello sviluppo e ottimizzazione di un codice C++ per il calcolo della sensibilità dell'esperimento al variare di un grande numero di parametri, ed in particolare in funzione delle incertezze sui parametri sperimentali (stabilità dei campi elettromagnetici, stabilità della risposta energetica dei rivelatori di piano focale, rate di interazione, etc...).
  4. Sviluppo di un algoritmo per la ricostruzione della funzione di risposta di una matrice di rivelatori SDD.
    Descrizione: la misura dello spettro del trizio per la ricerca del neutrino sterile prevede di individuare una distorsione dello spettro beta che deve essere distinta da ogni possibile effetto strumentale. Argomento della tesi è lo sviluppo algoritmi di riconoscimento (p.es. basate su wavelet) che consentano di deconvolvere la funzione di risposta dello spettrometro di KATRIN e del rivelatore in modo da evidenziare la segnatura cercata. La tesi si propone di arrivare ad una modellizzazione, parzialmente basata su simulazioni MonteCarlo, della risposta dell’SDD al singolo elettrone. Successivamente si studierà la risposta di una matrice di rivelatori e gli effetti di deformazione dello spettro introdotti dallo spettrometro stesso. La validazione delle tecniche sviluppate avverrà con misure dedicate.

 

[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. ]

Progetto CHNET-TANDEM

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

Esperimento COSINUS (Laboratori del Gran Sasso)

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.

Esperimento CROSS (Università di Paris-Sud e Canfranc Laboratory)

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.

Esperimento MuonE

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).

Misure di contaminanti radioattivi nei materiali

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).