milano interneIstituto Nazionale di Fisica Nucleare
Sezione di Milano

Tesi Fisica delle Astroparticelle

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AUGER

L' Osservatorio Pierre Auger è il più grande rivelatore di raggi cosmici di altissima energia (E>1018 eV) mai realizzato. Situato in Argentina, copre un'area di 3000 km2 prende dati dal 2004 ed è attualmente è in fase di upgrade.
Il miglioramento del detector, che verrà chiamato Auger Prime, prevede, tra le altre cose, l'installazione di scintillatori per migliorare la capacità di discriminazione della massa dei raggi cosmici primari. La collaborazione Auger è
composta da scienziati provenienti da 15 paesi diversi. Il gruppo di Milano si occupa sia dell'analisi dati di Auger, sia dei lavori preparatori per l'upgrade dell'esperimento.
I possibili argomenti di tesi triennale o tesi magistrale sono:

- Studio delle direzioni di arrivo dei raggi cosmici di energia estrema per cercare correlazioni con cataloghi astrofisici (anche originali) e altri messenger (neutrini, onde gravitazionali).
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- Sviluppo di tool di analisi dati avanzata (in particolare analisi multi-variata) per la discriminazione di massa del raggio cosmico primario.
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- Controllo dati con il nuovo rivelatore del surface detector, in fase di installazione
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BOREXINO

Borexino è un rivelatore a scintillatore liquido ultrapuro, collocato ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, in Abruzzo. L’obiettivo principale dell’esperimento consiste nella spettroscopia dei neutrini solari, emessi nelle reazioni di fusione nucleare che si verificano continuamente nella regione più interna del Sole.

Lo studio dei neutrini solari è infatti cruciale per la comprensione dei meccanismi che alimentano la nostra stella, in quanto sono gli unici messaggeri della regione più interna e più calda: per via della sezione d’urto estremamente ridotta, raggiungono la Terra senza interagire con il plasma solare. Le misure dei flussi di neutrini solari ricoprono un elevato interesse in campo astrofisico, essendo correlati all’abbondanza di metalli presenti nel Sole.

Nel corso della sua presa dati Borexino ha misurato i flussi di neutrini solari provenienti da tutte le tipologie di reazione nucleare. Il risultato più recente ottenuto da Borexino consiste nella prima evidenza sperimentale dei neutrini emessi nel ciclo di reazioni CNO. Questa sequenza di reazioni ricopre un ruolo marginale nel Sole, in cui contribuisce appena per l’1% dell’energia totale emessa, ma rappresenta il principale motore delle stelle più massive e vecchie rispetto alla nostra stella.

Il gruppo di Milano è attualmente impegnato nell’analisi dei dati raccolti dall’esperimento, ed in particolare nel miglioramento e nell’estensione della recente misura del flusso di neutrini da ciclo CNO.

Sono proposti i seguenti lavori di tesi triennali o tesi magistrali:

- Estensione e miglioramento della misura del ciclo CNO: analisi dati, studi sistematici e studi di sensitività.
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DARKSIDE

Il problema della massa mancante dell'universo e' uno dei misteri piu' affascinanti dei nostri tempi: c'e' evidenza sperimentale che la materia oscura esista e che componga il 30% del nostro universo, ma non e' ancora chiara la sua natura. DarkSide e' un esperimento dedicato alla ricerca di materia oscura nell'ipotesi che questa sia costituita da WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles). Sfrutta grandi quantitativi di Argon in doppia fase (liquida e gassosa) per rivelare il rinculo dei nuclei che hanno subito  interazione con WIMPS. DarkSide-50, attualmente in presa dati ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso con 50kg di Argon, e' l'esperimento leader tra quelli basati su questo materiale bersaglio.

Il progetto su grande scala, DarkSide-20k, con 20 tonnellate di Argon e' in fase di design e sara' uno degli esperimenti di punta per la ricerca di WIMPS del prossimo decennio.
Il gruppo di Milano e' impegnato sia nell'analisi dei dati di DarkSide-50, sia nella progettazione del rivelatore su grande scala. Si occupa dei seguenti temi che possono portare ad un lavoro di tesi triennale o tesi magistrale:

- Analisi dati di DarkSide-50 per comprendere le caratteristiche di emissione dello scintillatore Argon e la risposta del veto alle interazioni di neutroni con run di sorgente.

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- Sviluppo elettronica di lettura priva di contaminazioni radioattive per i sensori ottici di prossima generazione di DarkSide-20k basati su SiPM.

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JUNO

L'esperimento JUNO è in fase di realizzazione in Cina, con lo scopo di determinare importanti proprietà del neutrino. Il cuore del rivelatore consisterà in 20.000 tonnellate di scintillatore liquido, con l’obiettivo di rivelare sia gli anti-neutrini provenienti da due reattori nucleari nel sud della Cina, sia i neutrini solari. La costruzione dell’esperimento sarà ultimata nel 2022.

JUNO studierà il fenomeno delle oscillazioni di flavor di questi neutrini, cioè la conversione da neutrini di tipo elettronico a neutrini di altro sapore, con precisione mai raggiunta prima. L’obiettivo principale dell’esperimento consiste nella determinazione dell’ordinamento di massa dei neutrini, ovvero l'ordine relativo delle masse delle tre famiglie di neutrini.

Il gruppo di Milano è coinvolto in JUNO su diversi fronti. Sul fronte costruttivo, il gruppo è impegnato nella progettazione e realizzazione dell'impianto di purificazione dello scintillatore di JUNO.

Dal lato dell’analisi dati, il gruppo di Milano è coinvolto su due obiettivi paralleli dell’esperimento JUNO. Il primo consiste nella spettroscopia dei neutrini solari. Grazie all’enorme massa di scintillatore a disposizione, e all’ottima risoluzione energetica, JUNO sarà uno degli esperimenti di prossima generazione ai vertici per la rivelazione dei neutrini solari. Il gruppo è fortemente coinvolto nella conduzione di studi di sensitività alla misura di neutrini solari di energie basse o intermedie: sono in corso sviluppi di simulazioni MonteCarlo e preparazione degli strumenti software per l'analisi dati.

Il secondo tema di interesse è dato dagli studi di fattibilità per l'implementazione di analisi dei dati atte all'identificazione di possibili segnali di fisica BSM (Beyond the Standard Model). In particolare l'attenzione è rivolta a Non Standard Interactions, previste in vari modelli di fisica BSM e Lorentz Invariance Violation, possibile fenomeno causato da effetti di quantum gravity.

Dal lato sperimentale, è di nascita recente il progetto SHELDON (Separation of cHErenkov Light for Directionality Of Neutrinos), che si ripropone di caratterizzare lo scintillatore che verrà impiegato nell’esperimento tramite attività di laboratorio. Particolare attenzione sarà data alla quantificazione della frazione di luce emessa grazie all’effetto Cherenkov. Durante la presa dati di JUNO, l’essere in grado di identificare la luce Cherenkov sarebbe rilevante per potenziare la sensibilità dell’esperimento: se proveniente dall’interazione di un neutrino, la luce Cherenkov conserva l’informazione sulla direzione della sorgente, permettendo una correlazione con la direzione del Sole.

Sono proposti i seguenti lavori di tesi triennali o tesi magistrali, legati ai temi descritti sopra:

- Studi di sensibilità per la misura dei neutrini solari di energia intermedia (Be7, pep, CNO).
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- Studi di fattibilità per l’identificazione di segnali di fisica BSM (Beyond the Standard Model).
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- Progetto SHELDON: caratterizzazione in laboratorio di piccoli campioni dello scintillatore che sarà impiegato in JUNO, con particolare attenzione ai tempi di decadimento, alla resa di luce, e al contributo di luce Cherenkov.
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LSPE/STRIP

L'esperimento LSPE (Large Scale Polarization Explorer) si inserisce nel contesto della rilevazione dei cosiddetti "modi-B" nel segnale polarizzato del fondo cosmico di microonde costituisce una delle maggiori sfide sperimentali della cosmologia osservativa. LSPE  osserverà il 25% del cielo nell'emisfero boreale fra 40 e 240 GHz mediante due strumenti (SWIPE e STRIP), il primo fra 140 e 240 GHz da un pallone stratosferico, il secondo a 40 e 95 GHz dall'osservatorio di Izana (Tenerife, 2400 m).

Lo strumento STRIP, in particolare, e' sviluppato da una collaborazione in cui il gruppo di Milano (Dipartimento di Fisica e sezione INFN) gioca un ruolo di primo piano sia nello sviluppo dell'hardware che della pipeline di analisi dati scientifica.

Tesi disponibili:

Tesi triennali

-> Modellizzazione dei polarimetri di LSPE/STRIP (Referente: Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.)

La misura della polarizzazione del fondo cosmico richiede lo sviluppo e la modellazione di polarimetri caratterizzati da alta sensibilità e un livello minimo di effetti strumentali spuri.

Il lavoro di tesi si propone di estendere il modello esistente dei polarimetri impiegati nello strumento STRIP per la gestione di segnali polarizzati.
Il modello verrà implementato utilizzando il software QUCS (http://qucs.sourceforge.net).

-> Ottimizzazione della strategia di scansione dello strumento STRIP
(Referenti: Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo., Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.)

Il lavoro di tesi prevede simulazioni volte a definire la strategia di scansione ottimale del cielo da parte del telescopio di STRIP, in modo da pianificare la campagna osservativa che si svolgerà a Tenerife

Tesi magistrali

-> Studio di metodi di separazione di componenti (Referente: Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.)

L'estrazione dell'informazione cosmologica dalle osservazione del fondo cosmico richiede un dettagliato studio delle emissioni di foreground (sia galattiche che extra-galattiche) per poter ripulire i dati ed ottenere un genuino segnale di fondo cosmico.

Il lavoro di tesi propone lo studio di diverse tecniche di separazione delle componenti astrofisiche recentemente implementate con particolare attenzione a metodi "blind", che non necessitano di conoscenze a priori delle componenti da separare, al fine di ottimizzare  la scelta delle frequenze di osservazione di futuri esperimenti.

-> Stima dello spettro di potenza a grandi scale angolari (Referente: Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.)

Lo spettro di potenza racchiude tutte le informazioni cosmologiche rilevanti che è possibile estrarre dai dati di un generico esperimento di anisotropia del fondo cosmico. E' di fondamentale importanza disporre di tecniche ottimali per l'estrazione dello spettro (sia in  temperature che polarizzazione) che ne fornisca la miglior stima tenendo conto della sua effettiva statistica.

Il lavoro di tesi propone lo sviluppo e l'implementazione di algoritmi di maximum likelihood, sia nello spazio armoniche che in quello della mappa, in grado di fornire lo spettro di potenza in temperatura e polarizzazione della CMB nel caso di osservazioni a grandi scale  angolari.

-> Calibrazione di misure di CMB da terra mediante sorgenti celesti polarizzate (Referenti: Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo., Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.)

Uno dei fattori cruciali di una misura di fondo cosmico di microonde e' la calibrazione del segnale, ovvero la sua conversione da unita' adimensionali a unita' di misura fisiche. Per ottenere una corretta calibrazione si utilizzano sorgenti celesti note le quali, nel caso di
STRIP, devono anche essere polarizzate.

Il lavoro di tesi si propone di effettuare simulazioni per determinare e ottimizzare il livello di precisione nella calibrazione ottenibile da STRIP durante la campagna osservativa da Tenerife osservando sorgenti note.

-> Testing e calibrazione dello strumento STRIP (Refereti: Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo., Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.)

L'ultimo, importantissimo passo nello sviluppo di uno strumento e' l'insieme di test che consentono di verificarne la funzionalita' e caratterizzarne le prestazioni scientifiche.

Il lavoro di tesi si propone di collaborare alla preparazione, svolgimento e analisi dei dati dei test previsti sullo strumento STRIP prima della sua installazione al sito osservativo

 

NU_AT_FNAL
NU_AT_FNAL contribuisce al programma di ricerca sui neutrini con fasci da acceleratori negli USA, partecipando agli esperimenti SBN e DUNE.

SBN, al FermiLab, vuole dare la risposta definitiva sulla possibile esistenza di neutrini "sterili" oltre ai tre sapori conosciuti. L'esperimento e' in fase d realizzazione e comprende tre grandi rivelatori ad Argon Liquido situati a differenti distanze dal fascio di neutrini (fra 100 e 600 metri).
Il gruppo di Milano in NU_AT_FNAL partecipa alla progettazione e costruzione del rivelatore di veto per raggi cosmici e allo sviluppo del software per l'analisi.

DUNE studiera' in dettaglio le oscillazioni di neutrini su una distanza di 1300 km con un rivelatore da 40 kt di Argon liquido, con l'obiettivo primario di cercare la violazione di CP nel settore leptonico.
Il gruppo di Milano e' coinvolto nella realizzazione di un grande prototipo al CERN, nelle simulazioni MonteCarlo e sviluppo del software di analisi.

Possibili temi di tesi triennale o magistrale sono:

- SBN: Valutazione dell'efficienza del sistema di veto di raggi cosmici tramite simulazioni MonteCarlo, e studio dell'effetto sulla sensitivita' dell'esperimento, con possibilita' di misure in laboratorio al CERN o altre sedi INFN, e partecipazione alla presa dati dal 2018 (quest'ultima solo tesi magistrale);
- DUNE: Simulazioni MonteCarlo delle prestazioni del rivelatore DUNE e suoi prototipi; Simulazione della linea di fascio e relativa strumentazione per la calibrazione del prototipo al CERN, possibili confronti con dati e partecipazione a misure al CERN (solo tesi magistrali)
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SABRE

Una delle segnature piu' caratterizzanti del segnale di Materia Oscura e' la variazione annuale del suo flusso sul rivelatore, causata dalla variazione del moto della terra nell'alone di Materia Oscura della galassia.

L'unico risultato sperimentale interpretabile come evidenza di Materia Oscura viene proprio da questa segnatura, ma non e' stato ancora mai verificato e la sua interpretazione e' controversa. L'esperimento SABRE si ripromette di utilizzare dei cristalli di scintillatore NaI di purezza mai raggiunta e un veto di scintillatore liquido per la reiezione del fondo per verificare questo segnale e portare la rivelazione della modulazione annuale di Materia Oscura ad un nuovo livello di sensibilita'.
L'esperimento inoltre prevede due rivelatori gemelli collocati presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso e in un laboratorio sotterraneo di nuova costruzione in Australia per provare che l'eventuale modulazione osservata non e' legata a effetti stagionali locali.
Il gruppo di Milano e' impegnato su diversi fronti che riguardano sia la realizzazione di un primo prototipo del rivelatore sia la ricerca e sviluppo in vista del rivelatore finale.

In questo ambito sono disponibili tesi triennali e magistrali riguardanti:
- Studi Montecarlo dei contributi ai fondi radioattivi delle varie parti del rivelatore.
- Studi in laboratorio su hardware (tubi fotomoltiplicatori, daq, accoppiamento ottico..) e partecipazione all'installazione e operazione del prototipo al Gran Sasso (solo tesi magistrali).

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