Le tesi triennali che proponiamo richiedono circa quattro settimane di lavoro a tempo pieno. Sono costituite da un approfondimento di un argomento di fisica delle particelle e una attività o misura originale (studio di performance, analisi dati o misura di laboratorio) che viene svolta presso i nostri gruppi di ricerca. Le misure che proponiamo sono commisurate alle tempistiche e alla preparazione di uno studente del III anno. Danno allo studente una prima percezione del lavoro di ricerca vero e proprio in modo da completare la propria preparazione in vista della laurea magistrale. Le conoscenze tecniche necessarie riguardano l’utilizzo della strumentazione di base, appresa nel corso di Laboratorio II, conoscenze di base di root e C++ per l'analisi dei dati.

Ultimo aggiornamento 13/01/2025, prossimo aggiornamento 13/02/2025

Referenti: F. De Guio, M. Dinardo, P. Dini, S. Gennai, R. Gerosa, A. Ghezzi, P. Govoni, M. Lucchini, S. Malvezzi, A. Massironi, M. Paganoni, 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 le 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.
2. Application of state-of-the-art artificial intelligence algorithms to the Higgs boson self-coupling measurement in the HH→4b and HH→bb𝝉𝝉 decay channels - Referenti: M. Dinardo, S. Gennai, P. Govoni, S. Malvezzi, R. Gerosa.
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.
4. Anomaly Detection methods for high energy physics processes - Referenti: S. Gennai, P. Govoni.
5. Higgs physics with decays into tautau, gamma gamma, WW, and μμ (più di una tesi, sia di caratterizzazione di Higgs SM, ricerche di Higgs non-standard o Higgs-like particles) - Referenti: S. Gennai, P. Govoni, A. Massironi, R. Gerosa.
6. Implementazione di metodi Machine Learning per la ricerca di fisica oltre il modello standard nell’approccio delle teorie effettive di campo con operatori di dimensione 6 nel canale di produzione VBF, con bosoni W o Z e decadimento in leptoni. Referenti: S. Gennai, P. Govoni, A. Massironi, R. Gerosa.
7. Ricerca di fisica oltre il modello standard nell’approccio delle teorie effettive di campo con operatori di dimensione 6 nel canale di produzione VBF con bosone W o Z, valutando la sensibilità della produzione indotta da diagrammi QCD. Referenti: S. Gennai, P. Govoni, A. Massironi, R. Gerosa.
8. Ricerca di fisica oltre il modello standard nell’approccio delle teorie effettive di campo con operatori di dimensione 6 tramite processo VBS con due bosoni W di segno opposto nel canale leptonico ad LHC. Referenti: S. Gennai, P. Govoni, A. Massironi, R. Gerosa.
9. Ricerca di fisica oltre il modello standard attraverso lo studio fenomenologico di operatori CP-violating di dimensione 6 al fine di comprendere l’asimmetria tra materia e antimateria nell’universo. Referenti: S. Gennai, P. Govoni, A. Massironi, R. Gerosa.
10. Ricerca di fisica oltre il modello standard attraverso lo studio fenomenologico di operatori di dimensione superiori previsti in SMEFT o HEFT tramite il processo di produzione non-risonante di due bosoni di Higgs nei canali gluon-gluon fusion o VBF, Referenti: S. Gennai, P. Govoni, A. Massironi, R. Gerosa.
11. Sviluppo e caratterizzazione di rivelatori di tempo con elevata risoluzione temporale (30ps) nel contesto dell'upgrade dell'esperimento CMS per la fase ad alta luminosità di LHC: attività strumentale di laboratorio in sede e analisi dati da test su fascio condotti al CERN di Ginevra - Referenti: T. Tabarelli, A. Ghezzi, A. Benaglia, F. De Guio, M. Lucchini, M. Malberti.
12. Utilizzo della dimensione temporale in un nuovo paradigma per la ricostruzione degli eventi di collisione per la fase di alta luminosità di LHC - Referenti: T. Tabarelli, A. Ghezzi, A. Benaglia, F. De Guio, M. Lucchini, M. Malberti.
13. Machine Learning for the transparency evolution prediction of the crystals that compose the CMS electromagnetic calorimeter. Referenti: A. Massironi
14. Machine learning for non-prompt estimation in VBS searches. Referenti: A. Massironi
15. Electroweak NLO corrections on 1-dimensional observables and systematic uncertainties for VBS searches. Referenti: A. Massironi
16. Kinematical distributions unfolding with ML-methods for VBF Z process at CMS for high precision test of matrix-element and parton shower models Referenti: P. Govoni, A. Massironi, R. Gerosa.
17. Search for exclusive rare decays of the recently observed top-antitop bound state (toponium) 1S0 (ηt) in the ZH or γH or γγ final states. Referenti: T. Tabarelli, A. Benaglia, R. Gerosa.

L’esperimento LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment), in funzione al collisore protone-protone LHC al Cern, studia principalmente la fisica degli adroni contenenti quarks beauty o charm, effettuando misure di alta precisione e lo studio di decadimenti rari, per la ricerca di Fisica oltre il Modello Standard. Una delle domande aperte della Fisica fondamentale è l’origine dell’asimmetria materia-antimateria, che viene affrontata da LHCb con lo studio delle violazioni della simmetria di CP (Coniugazione di carica e Parità). Altre domande aperte riguardano la possibile violazione della universalità leptonica delle interazioni elettrodeboli e della conservazione del sapore leptonico. 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.

Proposte LHCb di analisi dati e tecniche di Machine learning

Referenti: A. Anelli, M.Borsato, M. Calvi, S.Capelli, D.Fazzini, M. Martinelli

Per questi elaborati è richiesta preferibilmente la conoscenza dei linguaggio Python o C++ e di Root.

1.  Fun with Particles!
   The LHCb experiment has already discovered more than 60 new particles (https://www.nikhef.nl/~pkoppenb/particles.html). Many others may hide within its dataset that is still to be fully exploited. During this project you will have the opportunity to be the first to observe a new particle, determine its spin and parity and add a new item to the Particle Data Book!
2. Studio dell’efficienza di ricostruzione del decadimento D0→KSπ+π- nel rivelatore LHCb.
   La determinazione dell’efficienza di ricostruzione del decadimento D0→KSπ+π- è cruciale per la misura delle variabili di mixing D0-D̅0. Utilizzando su campioni di dati reali raccolti dal rivelatore LHCb nel triennio 2016-2018 e campioni di dati simulati si costruiranno mappe di efficienza sul Dalitz plot del decadimento e se ne studierà la dipendenza temporale. Si confronteranno le mappe fornite dalla simulazione con quelle determinate dai dati utilizzando algoritmi di Machine Learning.
3. Studio delle componenti del decadimento D⁰→K_Sπ⁺π^-
   I decadimenti a molti corpi procedono verso lo stato finale attraverso numerosi stati intermedi. È di grande importanza studiare l’abbondanza relativa di questi stati per comprendere i processi fisici che li hanno generati. Al fine di misurare queste quantità si effettuano fit alla distribuzione bidimensionale dei dati (Dalitz plot). Vari strumenti di fit sono sviluppati a questo scopo. In questa tesi si propone di confrontare i risultati prodotti da due software, uno più maturo basato su C++ ed uno recentemente sviluppato in python che ha come motore Tensorflow, una piattaforma di calcolo avanzato per il machine learning sviluppata da Google.

4. Measurement of the CKM matrix element |Vub| in B⁰ₛ→Kμν decays and applications of Machine Learning techniques.
   The mixing among quarks families is described in the Standard Model by the CKM matrix. The values of its elements can’t be predicted but should be measured. A precise measurement of the Vub element, representing b→u transitions, is possible by studying the B⁰ₛ→Kμν decays recorded by the LHCb experiment. The new data collected in the LHC Run 3, at a much higher Luminosity than in Run 2, will be studied, to prepare a new analysis. Possible topics for a thesis are 1) One important aspect of the measurement is the separation of the signal B⁰ₛ candidates from the background ones, which is done by studying the isolation of the candidates with respect to other charged and neutral particles in the event. 2) Another challenge is the indirect reconstruction of the B⁰ₛ meson momentum, since a fraction of momentum is lost with the neutrino that escapes detection. In both these two cases Machine Learning techniques will be employed and they will be validated by using simulated events and real data. 3) A third project concerns the study of the background due to partially-reconstructed B→J/ψ(μμ)K decays, where one of the muons is not reconstructed because it is outside the detector acceptance. Simulated data will be used to study a specific technique to reduce such background, making use of the muon momentum and the decay kinematic for the identification of the J/ψ resonance.

5. Search for a decay that violates the conservation of the lepton flavour  τ→μμμ with LHCb data. 

   One of the Standard Model (SM) assumptions is the conservation of the lepton flavour in particle transitions. Even in SM extensions performed to accommodate neutrino oscillations, the rate for a decay like τ→μμμ would be so extremely low that an observation would provide a clear sign of presence of New Physics. The search of such a decay will be performed using data collected by the LHCb experiment in Run 3. One topic for a thesis concerns the identification of signal candidates using topological, kinematical and particle identification variables. Simulation and real data will be used to train Machine Learning algorithms.  Charmed meson decays Ds→Φ(μμ)π will also be studied both in data and in simulation, as a control channel to calibrate the signal selection.

6. CP-violation in radiative charm decays

   Radiative decays of charm quarks are extremely suppressed in the SM due to its peculiar flavour structure. They are considered a very promising candidate to probe the flavour structure of physics beyond the SM up to very high energy scales.
   The LHCb experiment at the LHC has collected a dataset of several billion charm mesons, the largest in the world. However, disentangling their rare radiative decays from the rest is extremely challenging. Our group has recently demonstrated that the best strategy consists of using photons that convert to electron-positron pairs and is leading the efforts to complete the first LHCb analysis of radiative charm decays.
   Currently, the main task involves developing a fit to the data to statistically subtract residual background contributions. The fit will be optimised and tested extensively on both real and simulated data. The results of the fit will be used to search for a matter-antimatter (CP) asymmetry in these decays.

Proposte LHCb di attività su Rivelatori: il Calorimetro Elettromagnetico verso l’Upgrade II di LHCb

Referenti: M. Calvi, L. Martinazzoli, M. Pizzichemi, A. Minotti, M. Salomoni

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 le seguenti proposte di tesi:

1. Studio delle performance di diversi prototipi di calorimetro elettromagnetico in test su fascio
   Il lavoro di tesi verterà sull’analisi di dati sperimentali raccolti in test su fascio presso l’SPS al CERN e a DESY, ed il loro confronto con simulazioni Monte Carlo. Si studieranno diversi prototipi di calorimetri elettromagnetici basati sulla tecnologia SPACAL, valutando le loro prestazioni in termini di risoluzione energetica, temporale, spaziale ed angolare.
2. Ottimizzazione delle performance di calorimetri elettromagnetici con simulazioni Monte Carlo
   Il progetto di tesi riguarda l’ottimizzazione dei parametri geometrici di moduli di calorimetro elettromagnetico basati sulla tecnologia SPACAL. Utilizzando una simulazione Monte Carlo dettagliata sviluppata con il toolkit Geant4, si potranno confrontare i risultati relativi alla risoluzione energetica, spaziale e temporale in differenti configurazioni.
3. Studio delle prestazioni Particle Identification (PID) per un calorimetro elettromagnetico basato su tecnologia SPACAL
   Il progetto di tesi verterà sullo studio della capacità di moduli di calorimetro elettromagnetico SPACAL 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. Lo studio sarà realizzato sulla base di una simulazione Monte Carlo dettagliata sviluppata con il toolkit Geant4.

Referenti: M. Lucchini, A. Benaglia

The European Strategy for Particle Physics has identified a e+e- collider as the highest priority for the post-LHC accelerator era with the goal of studying in detail the properties of the Higgs boson while searching for hints of new physics that could explain the yet unveiled mysteries of our Universe such as the nature of dark matter, the preponderance of matter over antimatter and the mass hierarchy of Standard Model particles. In this context a highly segmented crystal calorimeter featuring a dual readout of scintillation and Cherenkov light can offer a unique performance for event reconstruction, especially for low energy photons and jets.
As part of its thesis the candidate will contribute in defining the conceptual design of such a calorimeter, test various state-of-the-art radiation detection technologies (scintillating crystals and silicon photomultipliers) that will be used for the construction of a prototype. The activity will include laboratory measurements at the University of Milano-Bicocca, simulations and possibly participation in beam tests at the CERN laboratories and/or other accelerator facilities.

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

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

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 Prof. Fiorini in questa università. Il gruppo di Milano 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.

Tesi recenti: GoogleDrive - CUORE/CUPID MiB

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.

Referenti: S.Capelli, M.Nastasi

1. Valutazione della contaminazione superficiale in campioni di teflon
   Nel contesto di un’attività di selezione dei materiali per la realizzazione di esperimenti di fisica degli eventi rari, in questo lavoro si propone di studiare le contaminazioni superficiali di quattro campioni di teflon. La tecnica di misura utilizzata è la spettroscopia alfa, seguita tramite rivelatori al silicio a barriera superficiale inseriti in camere a vuoto. Tale tecnica permette di studiare le emissioni alfa dei radionuclidi presenti sulla superficie di materiali, attraverso la misura dell’energia rilasciata nel rivelatore dalle particelle medesime. Il lavoro consiste in una prima parte di caratterizzazione del sistema di misura e in una seconda parte di analisi degli spettri energetici acquisiti. Lo scopo è evidenziare eventuali contaminazioni nei radionuclidi delle catene naturali di 232Th e 238U, studiando possibili rotture dell’equilibrio, e arrivando alla valutazione dell’attività per diverse profondità ipotetiche della contaminazione. Per fare questo è necessario confrontare gli spettri misurati con quelli di fondo del rivelatore, e valutare, tramite simulazioni Monte Carlo realizzate con un programma basato sul toolkit Geant4, le regioni energetiche ottimali per lo studio dei vari isotopi di interesse, e l’efficienza di rivelazione delle alfa emesse nei decadimenti.
2. Sviluppo e caratterizzazione di un sistema di misura per spettroscopia alfa ad alta efficienza
   La realizzazione di esperimenti per la ricerca di eventi rari, come ad esempio l’esperimento CUPID, volto allo studio del decadimento doppio beta senza neutrini, richiede una accurata selezione dei materiali da utilizzarsi nella realizzazione del setup sperimentale. La misura delle contaminazioni superficiali è fondamentale per tutti quegli elementi costruttivi affacciati al rivelatore, che, essendo privo di strati morti, è sensibile a qualunque deposizione di energia, inclusa quella delle particelle alfa. La tecnica più utilizzata per questo tipo di misure è la spettroscopia alfa, basata su rivelatori al silicio a barriera superficiale, inseriti in camere a vuoto commerciali, con una sensibilità di misura dell’ordine dei uBq/cm2. In questo contesto si è iniziato lo sviluppo di un setup sperimentale in grado di alloggiare ed operare in vuoto in contemporanea quattro rivelatori al silicio, permettendo un aumento della sensibilità di misura. Il lavoro che si propone per questo elaborato, si inserisce in un’ attività ampia, con la possibilità di portare avanti uno o più aspetti di essa. Tali aspetti consistono: nella caratterizzazione e ottimizzazione dei rivelatori, nello sviluppo del sistema di acquisizione tramite un digitalizzatore in grado di acquisire i segnali da tutti e quattro i rivelatori, nello svolgimento ed analisi di una misura con sorgente multi-alfa,  da confrontarsi con simulazioni Monte Carlo realizzate con un codice basato sul toolkit Geant4 al fine di validare le simulazioni stesse, dello svolgimento di una misura vera e propria con un campione di attività ignota per valutarne le contaminazioni superficiali.

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. 
2. Misura e analisi del tempo di condizionamento e del rateo di microdiscariche su cavi coassiali speciali in ambiente criogenico utilizzati per polarizzazione rivelatori Ge, (rateo microdiscariche, ampiezza etc.)
3. Misure di efficienza della trasmissione ottica in regime di guida di luce, di lastre wavelenght shifting operate a temperatura criogeniche e ambiente.
4. Digital Processing (ambiente Root) di set di dati di luce di scintillazione di LAr registrate tramite dispositivi SiPMs nei tests dell’apparato LEGEND.
5. Digital Processing (ambiente Root) di set di dati di rivelatori Ge acquisiti nei tests dell'apparato LEGEND.

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. Misure ultrasensibili di contaminanti radioattivi nei materiali del rivelatore JUNO con tecniche di attivazione neutronica presso il reattore nucleare TRIGA di Pavia e di spettroscopia gamma in coincidenza presso il laboratorio di radioattività del Dipartimento di Fisica.
2. Studio al simulatore con metodo Monte Carlo dello spettro di neutrini emesso da un reattore nucleare di potenza.

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

HOLMES è un esperimento il cui fine è la misura della massa del neutrino attraverso lo studio del decadimento per cattura elettronica dell’isotopo 163Ho. HOLMES utilizza microcalorimetri (Transition Edge Sensors) a bassissima temperatura (< 0.1 K) e si svolge nel Laboratorio di Criogenia del Dipartimento di Fisica “G.Occhialini” dell’Università di Milano-Bicocca in collaborazione con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. La prima fase dell’esperimento si trova ora in presa dati, mentre in parallelo fervono le attività per effettuare l’upgrade a più ampio numero di canali e con maggior attività per canale. L’obiettivo primario della fase attualmente in corso è acquisire dati per giungere a una sensibilità sulla massa del neutrino di circa 10 eV; tale misura consentirà di valutare il peso delle sistematiche in vista dello sviluppo della seconda fase di HOMES. L’obiettivo finale è la realizzazione di un esperimento di punta che vada oltre la sensibilità raggiungibile di KATRIN, andando ad esplorare la regione a un decimo di eV in sensibilità sulla massa del neutrino. In questo contesto lo studente potrà dare un contributo ad una delle seguenti attività attualmente in sviluppo:

1. Presa dati e analisi delle misure in corso;
2. Sviluppo di algoritmi e tecniche numeriche per l’analisi e per la simulazione di segnali di micro-calorimetri;
3. Sviluppo di una sorgente criogenica di calibrazione per rivelatori a bassissime temperature.

Referenti: F. Terranova, F. Bramati, A. Branca, C. Brizzolari, G. Brunetti, A. Falcone, D. Guffanti, L. Meazza, M. Torti

1. Valutazione delle performance del dimostratore di ENUBET al CERN. Analisi dei dati acquisiti nel 2024. Approfondimento: calorimetria elettromagnetica e rivelatori per il timing.  [Tipologia: tecniche statistiche di analisi, simulazione Monte Carlo] [Prerequisiti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio e ROOT]
2. Trasformazione di un beam dump in un range-meter instrumentato. Approfondimento: misura di energia dal range e sistemi di tracciamento radiation hard. [Tipologia: Simulazioni Monte Carlo, machine learning e rivelatori radiation-hard] [Prerequisiti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio e ROOT]
3. Stima delle coincidenze accidentali nei Tagged Neutrino Beam. Approfondimento: tecniche non convenzionali per la fisica del neutrino agli acceleratori, timing di particelle cariche e fotoni.  [Tipologia: Simulazioni Monte Carlo, analisi dati] [Prerequisiti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio e ROOT]
4. Test del prototipo del beam dump instrumentato al CERN nel 2025 e caratterizzazione dei nuovi tracker. Approfondimento:rivelatori micromegas, tecnbiche di timing. [Tipologia: Sviluppo di Rivelatori, Attività di Laboratorio e test su fascio agli acceleratori] [Prerequisiti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio e ROOT] [Tesi da svolgersi al CERN a settembre 2025
5. Identificazione dei muoni a ENUBET@ESS al fine di ottenere un facio monitorato di neutrino alle European Spallation Source (Lund, Svezia).  Approfondimento: identificazione di particelle, machine learning, AI. [Tipologia: Simulazione e analisi, tecniche statistiche avanzate] [Prerequisiti: conoscenze di base di ROOT]

[Nota: la tesi 4. prevede un periodo di permanenza al CERN senza oneri economici per lo studente]

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

1. Caratterizzazione di fotosensori a temperature criogeniche per il Photon Detection System dell'esperimento DUNE. Approfondimento: fotosensori e Silicon Photomultipliers, luce di scintillazione nell'Argon Liquido.  [Tipologia: Sviluppo di Rivelatori, Attività di Laboratorio e test su fascio agli acceleratori]  [Prerequisiti: conoscenze di base delle tecniche di laboratorio e ROOT]
2. Neutrini solari nell’esperimento DUNE
   Approfondimento:  luce di scintillazione nell'Argon, interazione dei neutrini solari, processi di fusione nel sole. Misura: Simulazioni Monte Carlo di eventi alla scala del MeV.  [Tipologia: Simulazione e analisi dati]  [Prerequisiti: conoscenze di base di ROOT]
3. Analisi della risposta della luce nel rivelatore ProtoDUNE-VD al CERN. La tesi prevede lo studio della risposta alla luce di scintillazione del rivelatore ProtoDUNE-VD e la partecipazione alle attività di presa dati al CERN. [Tipologia: Sviluppo di Rivelatori, Attività di Laboratorio e test su fascio agli acceleratori]  [Prerequisiti: conoscenze di base di elettronica e ROOT]
4. La scheda DAPHNE per l’esperimento DUNE. La tesi prevede la validazione della scheda di acquisizione analogica direttamente sul sistema finale di DUNE, installato nel rivelatore ProtoDUNE-VD al CERN, con particolare riferimento al Signal-Over-Fiber. [Tipologia: Elettronica, Sviluppo di Rivelatori, Attività di Laboratorio e test su fascio agli acceleratori]  [Prerequisiti: conoscenze di base di elettronica e ROOT]

[Nota: le tesi 3. e 4. prevedono un periodo di permanenza al CERN senza oneri economici per lo studente]

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

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 di alta precisione. 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. Per questo, si utilizza 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

L'esperimento attualmente in presa dati al RAL presso la facility RiKEN-RAL coinvolge un numero limitato di persone ed offre la possibilita’  unica di una esperienza sperimentale completa partendo dallo sviluppo in laboratorio di rivelatori per raggi X, al loro utilizzo su fascio e finendo con l analisi dei dati sperimentali raccolti al RAL. L esperimento utilizza metodologie software basate su C++ e GEANT4.

Argomenti possibili per una tesi triennale sono:

1. test di laboratorio di nuovi cristalli da 1” con lettura tramite array di silicon photomultipliers per rivelare  raggi X  a bassa energia, con accento sulle loro proprieta’ di timing
2. studio di nuovi rivelatori CdTe per la rivelazione di raggi X a bassa energia
3. studio delle caratteristiche di  fibre ottiche nel medium infrared (MIR) e caratterizzazione di rivelatori MIR tramite un QCL
4. calcoli teorici della funzione di trasferimento da atomi muonici a Ossigeno nella regione epitermica
5. analisi del comportamento di rivelatori a raggi X sul fascio di muoni a RIKEN-RAL (UK).

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

L’esperimento ICARUS è basato sulla più grande TPC ad Argon liquido funzionante al mondo (T600). Questo rivelatore è in presa dati sul fascio di neutrini SBN a Fermilab dal 2020. Attualmente è in corso la presa dati 2025 (RUN IV). Il gruppo di Milano Bicocca è coinvolto in prima persona nel 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 è utilizzato per  effettuare la reiezione del fondo di raggi cosmici, dovutodovuto alla installazione in superficie del rivelatore Icarus T600 ed è essenziale per il suo buon funzionamento.

Ulteriori dettagli su Icarus @FNAL sono disponibili sulla pagina web https://icarus.fnal.gov/

1. sviluppo in laboratorio di componenti ottici per il sistema di calibrazione di 360 PMT a grande area di Icarus basato su laser a diodo veloce
2. Analisi dei dati raccolti nelle campagne di calibrazione laser
3. rivelazione di neutrini sterili al fascio SBN di Fermilab
4. sviluppo di un toy Monte Carlo per lo studio del fascio di neutrini BNB a Fermilab

Tramite ICARUS è disponibile un programma di summer students a Fermilab, i cui dettagli compaiono sulla pagina web https://fermilabschool.df.unipi.it/

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

Tesi di simulazione - Lo studente impara le basi di Geant4 da una simulazione facile già scritta e poi procedono con le modifiche necessarie:

1. simulazione in Geant4 del charge-sharing: simulare due elementi sensibili in silicio e un fascio di elettroni e/o fotoni monocromatici incidenti sul bordo tra i due detector. Studiare la suddivisione della nuvola di carica tra i due detector al variare di energie, angolo e tipo di radiazione.
2. simulazioni in Geant4 di elettroni fino a 500keV - 1MeV e costruzione della matrice di risposta. Impatto sulla misura di spettri beta proibiti di interesse per la fisica nucleare
3. simulazione in Geant4 di un sistema di veto per il backscattering. Impatto sulla misura di spettri beta proibiti di interesse per la fisica nucleare

Tesi sperimentali - Lo studente prende parte alla preparazione del setup che comprende una matrice di SDD, la corrispondente elettronica di lettura e un cannone di elettroni:

1. misure di backscattering al variare di energia, angolo e materiale del bersaglio
2. misure in coincidenza tra SDD e cristallo scintillante (misure di tempo o veto del backscattering).

Referenti: M. Clemenza

1. Caratterizzazione della Prompt Gamma Neutron Activation facility del LENA

Referenti: L. Gironi, P. Govoni, M. Pizzichemi, M. Sisti

Studio di performance di un innovativo scintillatore liquido per rivelatori a collisori di particelle. Lo studente studierà la simulazione di un rivelatore di nuova concezione ed i vantaggi rispetto alle tecnologie esistenti. Le competenze tecniche richieste sono apprese durante il corso di calcolo del laboratorio del II anno.

1. Determinazione dell’efficienza di rivelazione e risoluzione spaziale mono-dimensionale per muoni entranti ortogonalmente ad un piano di una misura in assenza di campo magnetico, in funzione delle caratteristiche geometriche del rivelatore e cinematiche delle particelle incidenti.
2. Determinazione dell’efficienza di risoluzione spaziale 2D con un sistema di molti piani di rivelazione, in funzione del numero di piani, delle caratteristiche geometriche del rivelatore e cinematiche delle particelle incidenti.
3. Studio della risoluzione energetica del sistema in funzione delle caratteristiche geometriche del rivelatore e cinematiche delle particelle incidenti.
4. Studio del comportamento del modello di rivelatore in presenza di campo magnetico e risoluzione nella ricostruzione della traccia di un singolo muone, in funzione delle caratteristiche geometriche del rivelatore e cinematiche delle particelle incidenti.
5. Studio delle potenzialità di rivelazione di muoni ad alta energia sfruttando le caratteristiche tipiche dell’interazione radiazione-materia al di sopra dell’energia critica per muoni.

Referenti: M. Sisti, M. Nastasi, E. Previtali, D. Chiesa

Il Laboratorio di Bassa Radioattività presente presso il Dipartimento di Fisica è dotato di diversi strumenti per spettroscopia alfa, beta e gamma, tra i più sensibili presenti sul territorio nazionale. Il principale obiettivo delle attività di ricerca è l’ottimizzazione della strumentazione e delle metodiche analitiche al fine di ottenere un costante miglioramento della sensibilità di misura per la discriminazione del fondo radioattivo dovuto a contaminanti naturali e cosmogenici di interesse per gli esperimenti di fisica degli eventi rari (CUORE,JUNO, CUPID). In parallelo nel Laboratorio si applicano le tecniche di misura anche a studi ambientali, misure archeometriche, analisi biomediche.

1. Determinazione della sensibilità di un rivelatore al germanio per applicazioni alla spettroscopia gamma a bassissimo fondo radioattivo.
2. Studio dell’attivazione cosmogenica di un rivelatore al germanio e simulazione di una schermatura di neutroni.
3. Ottimizzazione della sensibilità di misura di campioni a bassissima radioattività mediante la ricostruzione della forma spettrale misurata da un rivelatore al germanio. Approfondimento: la sfida principale nelle misure di spettroscopia gamma per la ricerca di isotopi a bassissima radioattività consiste nel massimizzare il rapporto tra gli eventi di segnale e il fondo ambientale. Tradizionalmente l’analisi si focalizza sull’analisi delle righe gamma, senza sfruttare le informazioni potenzialmente contenute nel resto dello spettro. Questa attività ha l’obiettivo di testare le potenzialità di una tecnica di analisi bayesiana in grado di combinare il fondo del rivelatore e gli spettri di segnale ricostruiti con un simulatore Monte Carlo, allo scopo di incrementare la sensibilità di misura.
4. Analisi di misure in coincidenza gamma-gamma ad alta sensibilità su campioni di origine glaciale.
   Approfondimento: la superficie dei ghiacciai si sta dimostrando un ambiente di grande interesse dal punto di vista della radioattività ambientale. Sopra i ghiacciai, durante la stagione estiva di fusione, si accumula un sedimento particolare, ricco di sostanza organica e noto come crioconite. La continua interazione con l’acqua di fusione e l’abbondanza di materia organica rendono la crioconite estremamente efficiente nell’accumulare i radionuclidi ambientali, sia naturali che di origine artificiale. Il progetto di tesi ha come obiettivo quello di sviluppare nuovi metodi per lo studio della radioattività in campioni di crioconite, sfruttando i rivelatori sviluppati presso il gruppo di Bassa Radioattività per lo studio della fisica degli eventi rari. In particolare  sarà interessante effettuare misure di radioattività-gamma con rivelatori al germanio ipe-puro che operano in coincidenza. L’utilizzo di questi strumenti permetterà di raggiungere livelli di sensibilità estremamente elevati e individuare radionuclidi artificiali rari, poco o per nulla conosciuti.

Referente: T. Tabarelli

1. Caratterizzazione di cavità acustiche per lo sviluppo di un’antenna gravitazionale in banda Ultra-High-Frequency 
2. Sono possibili studi per applicazioni alternative (test di modelli di MOND - MOdified Newton Dynamics - in regime di basse piccole accelerazioni, test di invarianza di Lorentz, qubit acustici)

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

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

Argomenti di tesi:  

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

Referenti: Stefano Della Torre, Massimo Gervasi, Mario Zannoni 

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

Argomenti di tesi: 

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

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

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

Argomenti di tesi: 

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

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

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

Argomenti di tesi: 

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

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

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

Argomenti di tesi: 

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

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

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

Possibili proposte di elaborati di tesi triennali:

• Studi di rumori ambientali per aumentare la sensibilità dell’interferometro Virgo nella rivelazione di onde gravitazionali
• Correlazione e coerenza dei segnali dalla rete di sensori attorno a Virgo, l’interferometro di seconda generazione per la rivelazione di onde gravitazionali

Referenti: M. Carpinelli, D. Rozza

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

Possibili proposte di elaborati di tesi triennali:

• Studi di caratterizzazione dei rumori ambientali del sito sardo candidato ad ospitare Einstein Telescope per la rivelazione di onde gravitazionali
• Correlazione e coerenza dei segnali dalla rete di sensori presenti nella regione della miniera di Sos Enattos, sito candidato ad ospitare Einstein Telescope

Referenti: M. Carpinelli, D. Rozza

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

Possibili proposte di elaborati di tesi triennali:

• Ottimizzazione di alcune componenti opto-meccaniche dell’esperimento Archimedes
• Analisi dei dati preliminari del prototipo e dell’esperimento Archimedes
• Stima preliminare per la rivelazione di fotoni oscuri con l’esperimento Archimedes

Referenti: M. Clemenza, M. Consonni, N. Ferreiro Iachellini, L. Pattavina

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

Argomenti di tesi:

• Assemblaggio, operazione e analisi dati di prototipi di rivelatore con Piombo archeologico 🔩 (hardware)
• Sviluppo del modello di fondo mediante simulazioni Monte Carlo 🎲 (software)
• Linearizzazione della risposta in energia di sensori operati in transizione di superconduttore (TES) per l’esperimento RES-NOVA  📈 (machine learning)
• Sviluppo di un classificatore per l’identificazione dei rinculi nucleari e abbattimento del fondo per l’esperimento RES-NOVA
• Studio dell'attivazione cosmogenica in cristalli di PbWO4 prodotti con Pb romano per l'esperimento RES-NOVA ☢️(hardware + software)
• Studi di sensitivity di processi rari: Dark Matter interactions, Supernova e Solar Axions searches, Solar neutrinos ☀️💥(software)
• Caratterizzazione di SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) per il read-out di rivelatori 🎛️ (hardware)
• Attivazione neutronica di Pb archeologico presso il reattore nucleare di Pavia 
• 🌋(hardware+software)

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).