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The Erasmus+ EU program supports traineeships abroad for students currently enrolled in higher education institutions in Programme countries at Bachelor and Master level as well as for doctoral candidates.

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Neutrino Physics Master Thesis

HOLMES

CUORE/CUPID

PTOLEMY

Quantum Technologies Master Thesis

DARTWARS

SQMS

qubIT

Other projects

Sistema di acquisizione in ambiente RFSoC Xilinx

Simulating neutrino oscillations on a multi-level quantum system

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 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. DARTWARS è un progetto finanziato dall’Istituto Italiano di Fisica Nucleare e dall’Unione Europea, con l’obiettivo di progettare e sviluppare amplificatori parametrici innovativi caratterizzati da larga banda e ampio guadagno e capaci di operare con una sensibilità limitata soltanto dal principio di indeterminazione di Heisenberg, raggiungendo il cosiddetto limite di rumore quantistico. Un sistema di lettura con queste caratteristiche significa un notevole passo avanti nella tecniche di multiplexing a microonde che permette 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 amplificatori 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.

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

Esperimento HOLMES

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. 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.
   
   
2. 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.
   
   
3. Sviluppo di un sistema di lettura e multiplexing per matrici di micro-calorimetri. L’esperimento HOLMES nella sua configurazione finale misurerà fino a 1000 rivelatori contemporaneamente. Per leggere un numero così grande di canali lo sviluppo di un lettura multiplexato risulta fondamentale. Il laureando collaborerà alla progettazione e realizzazione software e hardware del primo dimostratore a 64 canali. Inoltre parteciperà alla caratterizzazione ed ottimizzazione del sistema e dei rivelatori ad esso connessi, realizzando programmi di presa dati ed analisi. Tutti i programmi realizzati saranno scritti nei linguaggi python e C++.
   
   
4. Studio della sensibilità di esperimenti per la misura della massa del neutrino con approccio bayesiano. La statistica Bayesiana, che affonda le sue radici in idee e concetti vecchi di centinaia di anni - tanto che sarebbe lei a dover essere chiamata “statistica classica” - di recente sta vedendo una vera e propria riscoperta, acquisendo sempre più importanza in diversi ambiti di ricerca. Questo grazie sia alla sua eleganza, sia allo sviluppo di potenti algoritmi che hanno permesso una facile applicazione del suo teorema più importante: il teorema di di Bayes. Lo studente svilupperà un software di analisi in python basato su STAN, con l'obiettivo di creare uno strumento capace di valutare la sensibilità statistica di presenti e futuri esperimenti sulla massa del neutrino.
   
   
5. 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).
   
   
6. 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.

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

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