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++.
   
   

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.)