Simulating neutrino oscillations on a multi-level quantum system

Neutrino oscillation is a well-established phenomenon explained by quantum field theory (QFT). In the standard model (SM) description, neutrinos are massless and weakly interacting particles. However, to explain the experimental results, it was established that neutrinos have mass and undergo mixing between different flavors. Neutrino oscillation, which implies that neutrinos can change from one flavor to another, is a consequence of the neutrino masses and lepton mixing. The observation of neutrino oscillation has opened a window for physics beyond the SM.

Esperimenti CUORE/CUPID

L'esperimento CUORE (Cryogenic Undregroung Observatory for Rare Events) è composto da 988 cristalli (5x5x5 cm3) di TeO2 raffreddati a circa 10 mK. La presa dati è iniziata nel 2017 presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso e lo scopo principale di CUORE è la ricerca del decadimento doppio beta senza emissione di neutrini. Se osservato questo decadimento ci darebbe informazioni fondamentali sul neutrino e sulla fisica oltre il Modello Standard. 

CUPID, come dice lo stesso acronimo (CUORE Upgrade with Particle IDentification), utilizzerà una doppia lettura di luce e calore per identificare il tipo di particella incidente al fine di ridurre il fondo radioattivo nella regione di interesse per la ricerca del decadimento doppio beta e quindi aumentarne la sensibilità.

Diverse attività di R&D vengono svolte presso il Laboratorio di Criogenia 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. 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.

Contatti
Matteo Biassoni (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)
Chiara Brofferio (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)
Luca Gironi (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Esperimento PTOLEMY

PTOLEMY è un progetto per la rivelazione del fondo di neutrini cosmici prodotti durante il Big Bang, i cosiddetti relic neutrinos. Il progetto è portato avanti da una collaborazione internazionale che include l’Università di Milano-Bicocca, l’istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), l'Istituto Nazionale per la Ricerca Metrologica (INRIM), la Princeton University e il National Institute for Subatomic Physics in Olanda (NIKHEF).

PTOLEMY rivelerà i neutrini cosmici tramite la loro cattura in un bersaglio di trizio. L'elettrone emesso dalla cattura di un neutrino sarà analizzato da un complesso e innovativo spettrometro che combina la misura della radiazione RF emessa da un elettrone in un campo magnetico, una selezione degli elettroni tramite un filtro elettromagnetico variabile e la misura dell'energia cinetica con array di microcalorimetri TES. Il progetto al momento si concentra su una serie di attitivà di R&D per la realizzazione di un piccolo prototipo che dimostri il principio di funzionamento dello strumento. Il prototipo permetterà anche un sensibile esperimento per la misura diretta della massa del neutrino.

Parte dell'R&D per lo sviluppo dei microcalorimetri 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. Caratterizzazione 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. I microcalorimetri TES non sono mai stati utilizzati per la rivelazione di elettroni di bassissima energia (<100eV) come richiesto per l'esperimento PTOLEMY. PTOLEMY richiede la capacità di rivelare elettroni di bassissima energia con una risoluzione migliore di 0.1eV. Il laureando parteciperà all'installazione di un sistema di lettura a SQUID dedicato all'R&D sui TES di PTOLEMY e alla caratterizzazione di TES prodotti presso l'INRIM. La caratterizzazione inizierà usando raggi X di bassissima energia.
   
   
2. Sistema di calibrazione a bassissima energia. Per caratterizzare i TES di PTOLEMY si utilizzeranno sia fotoni nel visibile che elettroni di bassissima energia. L'obiettivo finale è determinare la funzione di risposta dei rivelatori per elettroni monoenergetici con energia minore di circa 100eV. Lo studente parteciperà all'installazione di un sistema di fibre ottiche per irraggiare con singoli fotoni provenienti da un laser attenuato i rivelatori. Successivamente parteciperà alla progettazione e installazione di un sistema per la fotoemissione di elettroni di bassissima energia.
      
3. Sviluppo di un sistema di lettura e multiplexing per matrici di micro-calorimetri. Il prototipo di PTOLEMY richiede l'uso di una matrice di microcalorimetri e quindi si avvantaggerebbe di un sistema di lettura multiplexato. Il multiplexing non è mai stato utilizzato prima per la lettura di rivelatori TES ad alta risoluzione per bassissime energie come quelli di PTOLEMY.  Il laureando collaborerà alla progettazione e realizzazione software e hardware di un primo sistema di multiplexing a microonde a 32 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++.
   
   

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Angelo Nucciotti (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)
Andrea Giachero (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

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.

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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.

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

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

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