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++.
   
   

Contatti
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 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.

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Marco Faverzani (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.

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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.)

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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Angelo Nucciottii (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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