Argomenti per la prova finale del terzo anno - Fisica delle Particelle

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 11/06/2020, prossimo aggiornamento 13/07/2020

 

Esperimento CMS

Referenti: M. Dinardo, P. Dini, S. Gennai, A. Ghezzi, S. Malvezzi, 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 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, 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. R&D on ultra-high radiation tolerant pixel detectors for HL-LHC
  2. Development of a modern data acquisition program, with FPGA interfaces, for testing novel pixel detectors for HL-LHC
  3. Higgs physics with decays into tautau, gamma gamma, and WW (più di una tesi, sia di caratterizzazione di Higgs SM, ricerche di Higgs non-standard o Higgs-like particles)
  4. Thesis subjects on the study of the VBS process at the LHC
  5. Thesis subjects on the study of the Higgs boson self-coupling at the LHC
  6. Thesis subjects on Flavour Physics studies in CMS: search for the Lepton Flavour Violating tau->3mu decay mode, search for flavour-changing neutral current decays of B0 mesons, characterisation of the Bc meson, study of rare decays of the B hadrons with the CMS parked unbiased sample.
  7. Attività strumentale di sviluppo di rivelatori di traccia con elevata precisione in tempo
  8.  Un collider di fotoni
  9. Machine Learning for ECAL transparency evolution prediction

 

Esperimento LHCb

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 e della conservazione del sapore leptonico.

Proposte LHCb di analisi dati

Referenti: M. Calvi, S.Capelli, D.Fazzini, M. Martinelli, S. Meloni, E.Shields

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

  1. Selezione dei decadimenti del mesone neutro D0, D0->Kπππ.
    Nel contesto della ricerca di violazione di CP nel Charm a LHCb, il canale di decadimento D0->Kπππ offre la possibilità di misurare il mixing D0-D0bar e l’asimmetria materia-antimateria con analisi innovative. Obiettivo di questo studio preliminare è definire una selezione dei decadimenti utilizzando tecniche di machine learning, al fine di offrire una base di partenza per gli studi successivi. Il lavoro verrà svolto su campioni di dati reali raccolti dal rivelatore LHCb nel triennio 2016-2018 e su campioni di dati simulati.
  2. Studio dell’efficienza di ricostruzione del decadimento D0->KSK+K- nel rivelatore LHCb.
    La determinazione dell’efficienza di ricostruzione del decadimento D0->KSK+K- è cruciale per la misura delle variabili di mixing D0-D0bar. 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. Si richiede che l’elaborato venga scritto in inglese.
  3. 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 richiede che l’elaborato venga scritto in inglese.
  4. Flavour tagging di mesoni B neutri, stima delle performance degli algoritmi di tagging nel Run3.
    Il fenomeno quantistico delle oscillazioni tra mesone e anti-mesone, osservato sia per i B0d che per i B0s, implica per poter osservare violazioni di CP durante l’evoluzione temporale del sistema B0-antiB0, è necessario determinare il sapore del mesone B sia al momento del decadimento, che alla produzione (flavor tag). In vista della prossima presa dati ad LHC (Run3), il rivelatore LHCb è stato ampiamente modificato e funzionerà ad una luminosità 5 volte superiore alla precedente. Lo studente dovrà valutare le performance di tagging per uno o più degli algoritmi esistenti, utilizzando campioni di dati simulati nelle condizioni del Run3. Successivamente potrà ri-ottimizzare alcuni di essi, basati su analisi multivariata (TMVA), direttamente sul nuovo campione, in modo da avere una stima del miglioramento ottenibile.
  5. Applicazioni di ML alla ricerca di violazione della conservazione del sapore leptonico (LFV). Analisi di eventi di segnale e di fondo tramite classificatori multivariati e confronto con reti neurali.
    Lo studio della possibile non-conservazione del sapore leptonico nei decadimenti dei leptoni carichi viene affrontata da LHCb con la ricerca del decadimento del leptone tau in tre muoni. Trattandosi di un decadimento ultra raro, non ancora osservato, cruciale è la capacità di distinguere gli eventi di segnale da altri con caratteristiche simili ma che hanno una origine più comune (fondo).
    Strumenti dell'ambito Machine Learning vengono incontro alle necessità della Fisica delle Alte Energie: classificatori multivariati possono essere addestrati a svolgere questo lavoro. Lo studente potrà testare diversi tipologie di classificatori, alla ricerca della configurazione ottimale dei parametri che consentano la migliore separazione tra segnale e fondo. Le performance ottenute potranno essere confrontate con quelle ottenute addestrando reti neurali di varia complessità. Il lavoro verrà svolto su campioni di dati reali raccolti dal rivelatore LHCb nel triennio 2016-2018 e su campioni di dati simulati. Si utilizzeranno i pacchetti di ML di scikit-learn.
  6. Studio di variabili significative per l’identificazione dei decadimenti semitauonici dei  mesoni B0.
    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. In particolare risultano diverse dal previsto le frazioni di decadimenti semileptonici con un leptone tau rispetto quelli con un muone. Lo studio proposto consiste nel valutare nuove variabili, non ancora utilizzate per l’identificazione dei decadimenti B0àD(*)tn,  e la bontà della loro simulazione. A tal scopo sarà necessario selezionare un campione di dati reali del canale di controllo B->J/psi K. Il confronto tra dati reali e simulati potrà essere fatto con tecniche di machine learning.
Proposte LHCb con attività in laboratorio

Referenti: M. Calvi, P.Carniti, C.Gotti, G.Pessina

  1. Studio della risoluzione temporale di vari tipi di fotorivelatori Multi Channel Plate in regime di singolo fotone per applicazioni nell’Upgrade2 di LHCb e in futuri rivelatori Cherenkov. 
  2. Sviluppo e ottimizzazione di elettronica ultraveloce per rivelazione di singoli fotoni Cherenkov.

Esperimenti CUORE e CUPID

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

  1. Calibrazione della risposta energetica dei rivelatori di CUORE con diverse tipologie di sorgenti di radiazioni. Approfondimento: l'interazione della radiazione con i rivelatori criogenici. Misura: rilascio di energia da alfa, gamma e per effetto joule in cristalli differenti e analisi delle diverse risposte
  2. Ottimizzazione di algoritmi per il riconoscimento del pile-up nelle serie temporali dell’esperimento CUORE. Approfondimento: software di ricostruzione eventi e analisi di CUORE, problematiche legate al rate di eventi in rivelatori lenti. Misure: analisi dei primi quattro datasets di CUORE
  3. Correlazione tra eventi sismici e incremento del rumore vibrazionale nell’esperimento CUORE. Approfondimento: rivelatori criogenici come sismografi? Misura: utilizzo di fonti esterne per le informazioni sui fenomeni sismici, ricerca di correlazione statisticamente significativa con i riscaldamenti dei rivelatori, riconoscimento della funzione di risposta dei rivelatori criogenici a sollecitazioni di origini differenti.
  4. Confronto delle performance in termini di soglia energetica di diversi algoritmi di trigger per l’acquisizione dell’esperimento CUORE. Approfondimento: acquisizione dati in continua e processazione in tempo reale, algoritmi di trigger, algoritmi di filtraggio nel dominio del tempo e delle frequenze. Misure: applicazione di diversi algoritmi di trigger ai primi quattro dataset di CUORE, analisi dei dati triggerati, definizione di figure di merito per il confronto delle performance
  5. Ricerca di contaminazioni radioattive localizzate o asimmetriche nel setup di CUORE. Approfondimento: sorgenti di fondo nella fisica degli eventi rari, contaminazioni radioattive e loro segnature sperimentali, simulazioni Monte Carlo basate su Geant4 di catene radioattive. Misure: suddivisione dei dati dell’esperimento CUORE in dataset in base alla geometria del detector, confronto delle attività di diverse sorgenti di fondo nei diversi dataset, utilizzo di metodi Monte Carlo per l'estrapolazione della posizione delle sorgenti nel setup e nei diversi elementi del criostato.
  6. Sottrazione di rumore monocromatico dalle forme d'onda dell’esperimento CUORE. Approfondimento: il noise e la risoluzione energetica dei rivelatori termici, filtri nel dominio del tempo e delle frequenze. Misure: sviluppo di algoritmi per la sottrazione di rumore sinusoidale dalle forma d’onda nel dominio del tempo, test dell’algoritmo su un dataset dell’esperimento CUORE.
  7. Caratterizzazione di sensori a semiconduttore, prodotti per drogaggio avvenuto mediante irraggiamento in un reattore (NTD). Approfondimento: proposta di tesi a forte connotazione di laboratorio/strumentale. Gli NTD sono sensori ultrasensibili per variazioni di temperatura dell’ ordine dei microK alle temperature ultrabasse (pochi mK) raggiungibili nei criostati a diluizione, come quelli in dotazione nel Lab. Criogenia di Bicocca. Non essendo termometri assoluti vanno pero’ caratterizzati. Il termometro di riferimento semi-assoluto appena acquistato si basa sul rumore Johnson e sara’ alla base dell’ allestimento del sistema di caratterizzazione. Competenze che si acquisiranno: vuoto, criogenia, sensoristica sofisticata, SQUID, ottimizzazione dell’ acquisizione dati e loro analisi.
  8. Simulazioni Monte Carlo applicate a bolometri e al segnale di luce dei bolometri scintillanti.
  9. Analisi bayesiana dei contributi al fondo di CUORE e CUPID-0. Proiezioni per CUPID.
  10. Misure di caratterizzazione dei bolometri di LiMO adottati in CUPID.

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. 
  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.

Esperimento JUNO

Referenti: M. Sisti, E. Previtali

  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.

 

Esperimento HOLMES

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

  1. produzione e separazione dell'isotopo 163Ho
  2. sviluppo dell'array di rivelatori TES
  3. sviluppo del read-out a SQUID e del sistema di multiplexing
  4. Analog/digital signal processing
  5. analisi dei dati

 

Esperimenti ENUBET e DUNE

Referenti: F. Terranova, A. Branca, C. Brizzolari, C. Cattadori, A. Falcone, C. Gotti, V. Mascagna, G. Pessina, M. Spanu, M. Torti, E. Vallazza

  1. Risoluzione energetica del prototipo a lettura laterale di ENUBET. Approfondimento: tecniche di identificazione e separazione di fotoni e elettroni al GeV. Calorimetria elettromagnetica. Misura: determinazione della risoluzione energetica nel prototipo a lettura laterale di ENUBET. I dati sono stati acquisiti al CERN a Settembre 2018
  2. 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. Misura: determinazione dei principali parametri dei fotosensori a 77 K
  3. Analisi della risposta alla luce di scintillazione del rivelatore ARAPUCA di PROTODUNE-SP. Approfondimento: tecniche di light trapping a 128 nm, Silicon Photomultipliers,  luce di scintillazione nell'Argon Liquido. Misura: Analisi dei dati del rivelatore PROTODUNE al CERN
  4. Readout veloce di cristalli di LYSO su ampie superfici per ENUBET e i fasci taggati di neutrino. Approfondimento: tecniche di timing, scintillatori inorganici, fotosensori. Misura: determinazione della risposta di un cristallo al passaggio di particelle al minimo di ionizzazione.
  5. Studio della risposta ottica del argon liquido dopato con Xenon per il miglioramento dell’efficienza di rivelazione del Photo Detection System di DUNE e per lo studio delle supernovae. Approfondimento: Silicon Photomultipliers e sistemi di shifting della luce ultravioletta, luce di scintillazione nell’Argon e nello xenon liquido, neutrini da supernovae Misura: Analisi dei dati raccolti al laboratorio CERN dall'esperimento ProtoDUNE-SP.

 

Esperimento FAMU al RAL

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

  1. test di laboratorio di nuovi cristalli con lettura tramite array di silicon photomultipliers per rivelatori a raggi X
  2. studio di una nuova elettronica veloce per rivelatori al Germanio iperpuro
  3. sviluppi per rivelatori di fascio basato su fibre scintillanti e silicon photomultipliers
  4. studio delle caratteristiche di  fibre ottiche nel medium infrared (MIR) e caratterizzazione di rivelatori MIR
  5. calcoli teorici della funzione di trasferimento da atomi muonici a Ossigeno nella regione epitermica

 

 

Esperimenti Icarus e Dune a Fermilab

Referenti: M. Bonesini, R. Benocci

  1. sviluppi per il sistema di calibrazione di 360 PMT a grande area di Icarus basato su laser a diodo veloce
  2. tests di rivelatori  innovativi per la lettura della luce UV emessa in Argon liquido da particelle ionizzanti
  3. rivelazione di neutrini sterili al fascio SBN di Fermilab

 

Esperimento AMS

Referenti: M. Gervasi, P. Rancoita

  1. studio della modulazione solare sui Raggi Cosmici Galattici nel periodo di massima attività solare, con i dati di AMS-02;
  2. studio dell'isotropia spaziale dei Raggi Cosmici Galattici, con i dati di AMS-02;
  3. studio degli eventi solari e delle emissioni solari energetiche, con i dati di AMS-02, e loro effetti sulla magnetosfera terrestre.

 

Progetto TRISTAN

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

  1. Caratterizzazione della risposta di Silicon Drift Detectors (SDD) usando fasci di elettroni
  2. Realizzazione di un sistema per la caratterizzazione di SDD con sorgenti di conversione interna e sorgenti X
  3. Simulazione della propagazione di elettroni di basse energie in GEANT
  4. Misura di spettri beta mediante SDD in KATRIN

 

Progetto CHNET-TANDEM

Referenti: M. Clemenza

  1. Caratterizzazione della Prompt Gamma Neutron Activation facility del LENA

 

Sviluppo di nuove tecnologie per calorimetria

Referenti: M. Sisti, G. Ortona, P. Govoni, L .Gironi

  1. 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.

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. Le basi teoriche del momento magnetico anomalo (tesi teorica in collaborazione con prof. Luca Trentadue)
  6. La determinazione del momento magnetico anomalo (tesi teorica in collaborazione con prof. Luca Trentadue)

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).