Tesi Magistrali

Fisica del quark b

Referente: T. Dorigo, M. Margoni

Titolo: Ricerca del decadimento raro del mesone Bs in due leptoni tau con l'esperimento CMS a LHC con l'uso di reti neurali

Abstract: Lo/a studente affiancherà una studente di dottorato già coinvolta nello studio di dati dell'esperimento CMS, sotto la guida del prof. Margoni e del dott. Dorigo, per estrarre un segnale di decadimento del mesone Bs in due leptoni tau. La frequenza di tale decadimento, mai osservato fino ad ora, è considerata una variabile sensibile alla presenza di nuova fisica oltre il modello standard. CMS per la prima volta ha accumulato, nello scorso run, una statistica molto grande di eventi con un trigger di bassa energia che possono permettere questa ricerca. Lo/a studente utilizzerà metodi avanzati di machine learning per incrementare la separazione del segnale dai fondi. Sono necessarie per questo lavoro rudimentali conoscenze di programmazione in C++ e/o Python.

Periodo: sei mesi con inizio nel periodo aprile 2021-giugno 2022


Referente: F. Simonetto

Titolo: Studio dei meccanismi di produzione e decadimento dei quark b sui dati raccolti dal rivelatore CMS a LHC

Abstract: La collaborazione CMS ha raccolto circa 10 miliardi di collisioni protone-protone in cui sono presenti adroni contenenti il quark b. Si prevede di effettuare con questo campione svariate misure interessanti, tra cui:

  • Sezione d’urto di produzione pp -> b -anti-b X, e confronto con le predizioni della Quantum Chromodynamics
  • Sezione d’urto di produzione pp -> gluone gluone -> 2 b + 2 anti-b X (double gluon splitting) e confronto con le predizioni di QCD
  • Misura della frequenza di oscillazione b->anti-b e calcolo dei processi di frammentazione del quark b in adroni con beauty
  • Ricerca della violazione della simmetria materia-antimateria nell’oscillazione dei mesoni b neutri e confronto con le previsioni del modello standard


Fisica ad alto momento trasverso

Referente: U.Gasparini

Titolo: Ricerca di processi di corrente neutra con cambiamento di sapore ("Flavour Changing Neutral Current", FCNC ) nei decadimenti del top quark in collisioni pp a LHC

Abstract: Lo studio di processi di decadimento rari nei decadimenti di quarks in cui cambia il sapore del quark rimanendo invariata la sua carica elettrica costituisce un potente metodo di ricerca di fenomeni di nuova fisica. Il Modello Standard (SM) delle particelle elementari generalmente prevede frazioni di decadimento piccolissime (legate a processi “radiativi” di ordine superiore nella costante di interazione); l’eventuale osservazione di un eccesso di decadimenti rispetto alle previsioni dello SM costituirebbe una solida indicazione di processi di nuova fisica. Per converso, la determinazione di un limite stringente su tali decadimenti pone vincoli importanti sulle masse di eventuali nuove particelle previste dai modelli teorici. Il quark top, abbondantemente prodotto nelle collisioni protone-protone al Large Hadron Collider (LHC) del Cern, si presta particolarmente allo studio di eventuali processi di decadimento , con stati finali che includono un quark charm accompagnati da un bosone Z o un bosone di Higgs, recentemente scoperto negli esperimenti CMS ed ATLAS al CERN. Si propone di sviluppare un’analisi finalizzata allo ricerca di tali decadimenti utilizzando i dati raccolti nel triennio 2016-18 dall’esperimento CMS a LHC. Lo studente si familiarizzerà con le problematiche sperimentali della ricostruzione ed analisi degli eventi in un esperimento di Fisica delle alte energie, in particolare relativamente alla fisica del quark top (il quark più pesante finora scoperto esistente in natura).


Referente: P. Azzi, R. Rossin

Titolo: Ricerca di nuove particelle composte nel canale di decadimento con due leptoni e un jet a CMS (Ricerca di Fisica Esotica)

Abstract: Lo/a studente lavorerà' sotto la guida del Dr. Azzi e Prof. Rossin, in collaborazione anche con colleghi dell'Università' di Perugia, per studiare la sensitività' alla scoperta di particelle esotiche nel canale con due leptoni e un jet nei dati del Run2 di CMS.
In particolare, dato che la particella esotica studiata e' una particella di Majorana, puo' decadere in due leptoni di carica uguale, situazione che corrisponde a un vantaggio tramite la riduzione del contributo di fondi da processi di Modello Standard. Tuttavia ci sono anche dei fattori complessi come la riduzione della statistica del segnale, e il contributo di fondi da errori di misura.
Lo studente si concentrerà sullo studio dell'ottimizzazione della ricerca sfruttando la conoscenza della carica dei leptoni dello stato finale, finora mai considerata nelle precedenti analisi. Per l'estrazione della sensitivita' finale utilizzerà sofisticati algoritmi statistici.
Per questo lavoro sono necessari rudimentali conoscenze di programmazione in C++ e/o python.

Periodo: sei mesi con inizio Giugno 2021


Referente: P. Azzi, R. Rossin

Titolo: Studio di effetti di nuova fisica in eventi di produzione di di-bosoni a CMS

Abstract: Lo/a studente lavorerà sotto la guida del Dr. Azzi e Prof. Rossin, in collaborazione con altri gruppi di Universita' italiane coinvolti in queste ricerche (Milano Bicocca, Perugia) all'esperimento CMS, per studiare gli accoppiamenti anomali fra bosoni nei dati del Run2 di CMS.
Il processo di scattering fra due bosoni vettori (VBS) rappresenta uno dei test fondamentali del Modello Standard, dato che fornisce l'accesso alla struttura di gauge non-abeliana delle interazioni elettrodeboli attraverso l'accoppiamento quartico di gauge (QGC). La grande stastistica raccolta durante il Run 2 dall'esperimento CMS permette di effettuare nuove misure che caratterizzano sempre di piu' questo processo. In particolare, con l'utilizzo di reti neurali per la separazione del segnale dal fondo, si puo' ottenere una osservazione di questo processo nel canale semileptonico, ossia quando uno dei bosone decade in due leptoni (Z->ll) e l'altro in un jet adronico.
Altrettanto importante che la misure di Modello Standard, pero', e' lo studio dell'effetto di possibili processi di fisica esotica che modificano questi accoppiamenti di gauge in modo anomalo. Se la scala di queste nuova fisica e' sufficientemente grande e lontana da quella elettrodebole, la teoria si puo' formulare in modo effettivo (EFT) attraverso l'utilizzo di operatori di Dim-6 che modificano la Lagrangiana.
L'analisi dei dati, confrontata con le attese dalle simulazioni di effetti di nuova fisica porta alla definizione di nuovi limiti su questi accoppiamenti anomali da operatori di Dim-6 mai misurati prima.
Per questo lavoro sono necessari rudimentali conoscenze di programmazione in C++ e/o python.

Periodo: sei mesi con inizio Giugno 2021


Algoritmi di ricostruzione

Referente: M. Tosi, M. Margoni

Titolo: Sviluppo di nuovi algoritmi di ricostruzione di tracce a CMS (tracce per adroni con b e c)

Abstract: La/o studente lavorerà sotto la guida della Dr. Tosi ed il Prof. Margoni, in collaborazione con altri gruppi di Università italiane (Bari) e centri di ricerca internazionali (CERN e DESY) coinvolti nell’esperimento CMS, per sviluppare nuove strategie per massimizzare l’efficienza di ricostruzione delle traiettorie delle particelle cariche prodotte dai decadimenti degli adroni con b- e c-quark. Questi studi hanno come obiettivo ultimo l’applicazione di queste strategie per la ricostruzione dei dati che CMS inizierà a raccogliere nei primi mesi del 2022 (il cosiddetto Run 3).
Grazie alla lunga vita media dei quark b e c, i prodotti di decadimento degli adroni da questi formati tendono ad essere prodotti significativamente distanti dal punto di collisione dei protoni. Benché l’esperimento CMS abbia già dimostrato la capacità di ricostruire con altissima efficienza e precisione le traiettorie delle particelle cariche prodotte nelle collisioni tra protoni in LHC, le prestazioni di ricostruzione delle traiettorie dei prodotti di decadimento degli adroni pesanti possono essere migliorate. Un miglioramento nell’efficienza di ricostruzione comporterebbe un aumento nella capacità di ricostruire nuovi stati non ancora osservati.
La/o studente dovrà studiare le prestazioni delle tecniche di tracciatura disponibili, per poi sviluppare una nuova ricostruzione dedicata allo spazio delle fasi di interesse. Nel quadro delle soluzioni da sviluppare, si possono valutare anche classificazioni basate su tecniche di Machine Learning.
Per questo lavoro sono necessarie rudimentali conoscenze di programmazione in C++ e python.

Periodo: sei mesi con inizio Giugno 2021


Referente: M. Tosi, F. Simonetto

Titolo: Sviluppo di nuove tecniche per algoritmi di ricostruzione a CMS (BParking per violazione di CP)

Abstract: La/o studente lavorerà sotto la guida della Dr. Tosi ed il Prof. Simonetto, in collaborazione con altri gruppi di Università italiane (Bari, Milano Bicocca) e centri di ricerca internazionali (CERN) coinvolti nell’esperimento CMS, per studiare nuove strategie nel ottimizzare la selezione di eventi utili per analisi di violazione di CP negli eventi con produzione di b-quark. Questi studi hanno come obiettivo ultimo l’applicazione di queste strategie per la presa dati di CMS prevista iniziare nei primi mesi del 2022 (il cosiddetto Run 3).
L’esperimento CMS ha già dimostrato la capacità di selezionare eventi di adroni di sapore b o c con grande efficienza ed elevata purezza (80%). Si è, infatti, riusciti a raccogliere circa 10 miliardi di adroni solo nel periodo di presa dati avvenuta nel 2018. Nel 2022 la presa dati ricomincerà e si intende applicare nuovamente questa strategia. Allo scopo di aumentare la purezza del nuovo campione per migliorare gli studi di violazione di CP e di ricerca di processi rari del Modello Standard o segnali di fisica oltre il Modello Standard, è necessario lavorare sulla strategia di selezione degli eventi, ed in particolare su nuove tecniche di ricostruzione online.
Dal prossimo anno CMS inizierà ad utilizzare un sistema eterogeneo, sfruttando processori grafici (GPU) insieme alle più standard CPU, aumentando il numero medio di eventi processabili in tempo reale. Negli ultimi anni sono stati sviluppati nuovi algoritmi di ricostruzione e si è in grado di ottenere informazioni sul quadri-momento delle particelle cariche per ogni evento anche in condizioni di alta densità di particelle. Questo aspetto tecnologico è di particolare rilevanza nello studio di processi con adroni di sapore b o c, perché la ricostruzione dei vertici di decadimento, necessita una efficiente e precisa ricostruzione delle particelle cariche nello stato finale.
La/o studente dovrà studiare le prestazioni delle tecniche di tracciatura disponibili, per poi sviluppare una ricostruzione di vertici di decadimento adatta a migliorare la purezza e la statistica del campione per studi di violazione di CP, rimanendo dentro ai limiti delle risorse (p.es. tempo di elaborazione) disponibili nel sistema. Nel quadro delle soluzioni da sviluppare, si possono valutare anche classificazioni basate su tecniche di Machine Learning.
Per questo lavoro sono necessarie rudimentali conoscenze di programmazione in C++ e python. Non è necessaria una conoscenza del linguaggio CUDA, ma può essere approfondito se di interesse.

Periodo: sei mesi con inizio Maggio 2021 - Febbraio 2022


Referente: M. Tosi, V. Bertacchi

Titolo: Ottimizzazione della ricostruzione di tracce in ambiente ad elevata densità (deepCore nel barrel)

Abstract: La/o studente lavorerà sotto la guida della Dr. Tosi e del Dr. V. Bertacchi, in collaborazione con altri gruppi di Università italiane (Scuola Normale di Pisa) e centri di ricerca internazionali (CERN) coinvolti nell’esperimento CMS, per studiare nuove strategie nel ottimizzare la ricostruzione delle traiettorie delle particelle cariche in condizione di elevata densità. Questi studi hanno come obiettivo ultimo l’applicazione di queste strategie per la ricostruzione dei dati che CMS inizierà a raccogliere nei primi mesi del 2022 (il cosiddetto Run 3).
Nelle collisioni tra protoni ad LHC i prodotti di decadimento di oggetti molto massivi (tipicamente previsti da modelli oltre il Modello Standard) o particolarmente boostati si raggruppano in coni (jet) di particelle molto densi. In queste condizioni il riconoscimento e misura della traiettoria delle particelle cariche necessita di una particolare cura. Di recente si sta sviluppando una nuova strategia, basata sulle tecniche più comunemente usate nell’imaging processing, che permette di ottenere ottime efficienze e minimizzare il contributo da combinatorio.
La/o studente dovrà studiare le prestazioni delle tecniche di tracciatura disponibili basate su una Convolutional Neural Network, per poi ottimizzare i parametri di ricostruzione allo scopo di migliorarne le prestazioni nel cuore dei jet di alto pT.
Per questo lavoro sono necessarie rudimentali conoscenze di programmazione in C++ e python.

Periodo: sei mesi con inizio Maggio 2021 - Dicembre 2021


Referente: M. Tosi, V. Bertacchi

Titolo: Ottimizzazione di una Convolutional Neural Network per la ricostruzione di tracce in ambiente ad elevata densità (deepCore nell’endcap)

Abstract: La/o studente lavorerà sotto la guida della Dr. Tosi e del Dr. V. Bertacchi, in collaborazione con altri gruppi di Università italiane (Scuola Normale di Pisa) e centri di ricerca internazionali (CERN) coinvolti nell’esperimento CMS, per ottimizzare la Convolutional Neural Network usata nella ricostruzione delle traiettorie delle particelle cariche in condizione di elevata densità. Questi studi hanno come obiettivo ultimo l’applicazione di queste strategie per la ricostruzione dei dati che CMS inizierà a raccogliere nei primi mesi del 2022 (il cosiddetto Run 3).
Nelle collisioni tra protoni ad LHC i prodotti di decadimento di oggetti molto massivi (tipicamente previsti da modelli oltre il Modello Standard) o particolarmente boostati si raggruppano in coni (jet) di particelle molto densi. In queste condizioni il riconoscimento e misura della traiettoria delle particelle cariche necessita di una particolare cura. Di recente si sta sviluppando una nuova strategia, basata sulle tecniche più comunemente usate nell’imaging processing, che permette di ottenere ottime efficienze e minimizzare il contributo da combinatorio.
La/o studente dovrà studiare le prestazioni delle tecniche di tracciatura disponibili basate su una Convolutional Neural Network. La struttura della rete neuronale dovrà essere ottimizzata allo scopo di migliorare le prestazioni di ricostruzione di tracce nel cuore dei jet di alto pT.
Per questo lavoro sono necessarie rudimentali conoscenze di programmazione in C++ e python.

Periodo: sei mesi con inizio Maggio 2021 - Dicembre 2021


Referente: M. Tosi, T. Dorigo

Titolo: Sviluppo di algoritmi di ricostruzione 4D a CMS (tracking 4D via GNN)

Abstract: La/o studente lavorerà sotto la guida della Dr. Tosi e dal Dr. T. Dorigo, in collaborazione con altri gruppi di Università italiane (Bari, Milano Bicocca, Trieste, Roma 1) e centri di ricerca internazionali (CERN) coinvolti nell’esperimento CMS, per studiare nuove strategie per la ricostruzione 4D delle traiettorie delle particelle cariche con strumenti basati su Machine Learning. Questi studi hanno come obiettivo ultimo la messa in produzione di queste strategie per la ricostruzione dei dati da collisione protone-protone con l’esperimento CMS prevista iniziare nel 2027 (la cosiddetta Phase2).
L’esperimento CMS subirà un aggiornamento della apparecchiatura sperimentale per poter gestire al meglio le condizioni estreme di radiazione previste durante la Phase2 (si produrranno circa un fattore x4 di collisioni al secondo con lo scopo di raccogliere un fattore x20 di statistica rispetto a quella fino ad ora raccolta). Verrà integrato un sistema di calorimetri che è previsto forniranno le informazioni temporali con una precisione di 30ps. Questa coordinata temporale si può utilizzare per fare una ricostruzione quadri-dimensionale (arrivando a rappresentare le particelle dello stato finale come quadri-momenti –finalmente).
La/o studente dovrà sviluppare metodi di tracciatura (pattern recognition) basati su tecniche di Machine Learning, in particolare applicando Graphical Neural Network.
Per questo lavoro sono necessarie rudimentali conoscenze di programmazione in C++ e python. La conoscenza di CUDA potrebbe essere utile.

Periodo: sei mesi con inizio Maggio 2021 - Settembre 2022


Referente: M. Tosi, R. Carlin

Titolo: Sviluppo di algoritmi di ricostruzione 4D a CMS (4D pixelTrack)

Abstract: La/o studente lavorerà sotto la guida della Dr. Tosi ed il Prof. Carlin, in collaborazione con altri gruppi di Università italiane (Bari, Roma1) e centri di ricerca internazionali (CERN) coinvolti nell’esperimento CMS, per studiare le prestazioni di nuove strategie per la ricostruzione 4D delle traiettorie delle particelle cariche per applicazioni di ricostruzione online. Questi studi hanno come obiettivo ultimo la messa in produzione di queste strategie per la ricostruzione dei dati nella selezione online di eventi da collisione protone-protone con l’esperimento CMS prevista iniziare nel 2027 (la cosiddetta Phase2).
L’esperimento CMS subirà un aggiornamento della apparecchiatura sperimentale per poter gestire al meglio le condizioni estreme di radiazione previste durante la Phase2 (si produrranno circa un fattore x4 di collisioni al secondo con lo scopo di raccogliere un fattore x20 di statistica rispetto a quella fino ad ora raccolta). Verrà integrato un sistema di calorimetri che è previsto forniranno le informazioni temporali con una precisione di 30ps. Questa coordinata temporale si può utilizzare per fare una ricostruzione quadri-dimensionale (arrivando a rappresentare le particelle dello stato finale come quadri-momenti –finalmente).
La/o studente dovrà applicare l’attuale metodo di propagazione delle informazioni di tracciatura al rivelatore che fornisce la coordinata temporale, e quindi studiarne le prestazioni in termini di efficienza di ricostruzione, risoluzione delle quantità misurate e numero di eventi processati al secondo. Questo approccio verrà quindi applicato per stimare l’utilità dell’informazione temporale.
Per questo lavoro sono necessarie rudimentali conoscenze di programmazione in C++ e python. La conoscenza di CUDA potrebbe essere utile.

Periodo: sei mesi con inizio Maggio 2021 - Settembre 2022


Referente: M. Tosi, P. Bortignon (Univ. Cagliari)

Titolo: Sviluppo di algoritmi di selezione di eventi per Higgs in cc (Hcc trigger)

Abstract: La/o studente lavorerà sotto la guida della Dr. Tosi e del Dr. Bortignon, in collaborazione con altri gruppi di Università italiane (Cagliari) e centri di ricerca internazionali (CERN) coinvolti nell’esperimento CMS, per studiare le prestazioni di nuove strategie per la selezione online degli eventi per ricercare segnali del decadimento del bosone di Higgs in coppie di quark-antiquark di sapore c. Questi studi hanno come obiettivo ultimo la messa in produzione di queste strategie per la selezione online di eventi da collisione protone-protone con l’esperimento CMS prevista iniziare nel 2022 (il cosiddetto Run3).
Di recente l’esperimento CMS e’ stato in grado di evidenziare l’accoppiamento del bosone di Higgs con i fermioni della terza generazione (quark b e top, e tau), ma --ad oggi-- solo con i leptoni della seconda generazione (muoni). La ricerca del decadimento del bosone di Higgs in coppie di quark-antiquark di sapore c e’ pertanto uno dei principali obiettivi scientifici dei prossimi anni.
La/o studente dovrà studiare le prestazioni delle tecniche di tracciatura disponibili, e degli algoritmi basati su tecniche di Deep Learning per la ricostruzione ed identificazione di jet di particelle prodotti da quark c. Si dovrà quindi sviluppare una nuova strategia dedicata alla selezione degli eventi di interesse, cercando il miglior compromesso tra le migliori prestazioni di fisica ed i limiti del sistema.
Per questo lavoro sono necessarie rudimentali conoscenze di programmazione in C++ e python.

Periodo: sei mesi con inizio Maggio 2021 - Febbraio 2022


Tesi Triennali

Fisica del quark b

Referente: T. Dorigo, M. Margoni

Titolo: Ricerca del decadimento raro del mesone Bs in due leptoni tau con l'esperimento CMS a LHC con l'uso di reti neurali

Lo/a studente affiancherà una studente di dottorato già coinvolta nello studio di dati dell'esperimento CMS, sotto la guida del prof. Margoni e del dott. Dorigo, per applicare metodi di machine learning (reti neurali) al problema di separare il segnale dai backgrounds fisici nella ricerca del decadimento del mesone Bs in due leptoni tau. La frequenza di tale decadimento, mai osservato fino ad ora, è considerata una variabile sensibile alla presenza di nuova fisica oltre il modello standard. CMS per la prima volta ha accumulato, nello scorso run, una statistica molto grande di eventi con un trigger di bassa energia che possono permettere questa ricerca. Sono necessarie per questo lavoro rudimentali conoscenze di programmazione in C++ e/o Python.

Periodo: tre mesi nel periodo aprile 2021-giugno 2022


Referente: F. Simonetto

Titolo: Studio dei meccanismi di produzione e decadimento dei quark b sui dati raccolti dal rivelatore CMS a LHC

I titoli di tesi Triennali sono simili a quelli sopraelencati per le tesi di laurea Magistrale, seppur con un differente livello di approfondimento degli argomenti proposti.


Fisica ad alto momento trasverso

Referente: U.Gasparini

Titolo: Studio delle proprietà di isolamento dei muoni di alta energia prodotti nelle collisioni protone-protone osservate nell’esperimento CMS a LHC

Abstract: La produzione di muoni di alta energia isolati rispetto ad altre particelle in eventi di collisione protone-protone ad altissima energia costituisce un importante segnale di processi elettro-deboli, quali la produzione di bosoni pesanti W e Z, del bosone di Higgs e /o di eventuali nuove particelle di massa elevata previste da modelli teorici di nuova fisica. I muoni vengono inoltre prodotti numerosamente, con probabilità di vari ordini di grandezza maggiori, in processi di decadimento dei quarks prodotti nelle interazioni protone-protone previsti dalla teoria cromodinamica quantistica delle interazioni forti (“Quantum Cromo Dynamics”, QCD) . Lo studio delle proprietà cinematiche di tali muoni nell’esperimento CMS, con particolare riferimento alle proprietà di isolamento rispetto ad altre particelle, costituisce un fondamentale strumento di indagine nella ricerca di nuove particelle pesanti. Lo studente si familiarizzerà con le problematiche di ricostruzione ed analisi dei muoni in un esperimento di alte energie, misurandone lo spettro in momento trasverso e in angolo di diffusione rispetto ai fasci incidenti, in funzione di diverse richieste di isolamento.


Algoritmi di ricostruzione

Referente: F. Simonetto

Titolo: ricostruzione calorimetrica dell’energia dei muoni a CMS.

Abstract: L’impulso dei muoni in CMS viene determinato misurando il raggio di curvatura della traccia rilasciata nei rivelatori al silicio e nelle camere a mu. Grazie all’intenso campo magnetico e alla precisione dei rivelatori si ottiene una precisione relativa dell’1% per muoni di 100 GeV, che pero’ si degrada crescendo con l’energia (circa 10% per tracce di un TeV, 20% a 2 TeV etc.). Si vuole studiare un metodo alternativo per muoni di alta energia (E_mu > 500 GeV), basata sulla misura dell’ energia rilasciata per bremsstrahlung nei calorimetri elettromagnetico ed adronico, e successivamente confrontare i risultati con quelli ottenuti con il metodo tradizionale.


Neutrini a CMS

Referente: F. Simonetto

Titolo: studio del flusso di neutrini atmosferici nei run di cosmici di CMS

Abstract: Il rivelatore CMS acquisisce regolarmente eventi senza collisioni per scopi di calibrazione, in cui vengono registrati i segnali lasciati dai muoni prodotti da raggi cosmici. Si vuole verificare se, combinando opportunamente informazioni di tempo di volo con il rilascio di energia nei calorimetri sia possibile selezionare eventi prodotti da neutrini di alta energia che interagiscono con la crosta terrestre producendo a loro volta muoni.


Anni precedenti