Proposal of a Continuous Read-out Implementation in the ALICE-TOF detector

The main purpose of ultrarelativistic heavy-ion collisions is the investigation of the QGP. The ALICE experiment situated at the CERN has been specifically designed to study heavy-ion collisions for centre-of-mass energies up to 5.5 per nucleon pair. Extended particle identification capability is one of the main characteristics of the ALICE experiment. In the intermediate momentum region (up to 2.5 GeV/c for pi/K and 4 GeV/c for K/p), charged particles are identified in the ALICE experiment by the Time of Flight (TOF) detector. The ALICE-TOF system is a large-area detector based on the use of Multi-gap Resistive Plate Chamber (MRPC) built with high efficiency, fast response and intrinsic time resolution better than 40 ps. This thesis work, developed with the ALICE-TOF Bologna group, is part of the efforts carried out to adapt the read-out of the detector to the new requirements after the LHC Long Shutdown 2. Tests on the feasibility of a new read-out scheme for the TOF detector have been performed. In fact, the achievement of a continuous read-out also for the TOF detector would not be affordable if one considers the replacement of the TRM cards both for hardware and budget reasons. Actually, the read-out of the TOF is limited at 250 kHz i.e. it would be able to collect up to just a fourth of the maximum collision rate potentially achievable for pp interactions. In this Master’s degree thesis work, I discuss a different read-out system for the ALICE-TOF detector that allows to register all the hits at the interaction rate of 1 MHz foreseen for pp interactions after the 2020, by using the electronics currently available. Such solution would allow the ALICE-TOF detector to collect all the hits generated by pp collisions at 1 MHz interaction rate, which corresponds to an amount four times larger than that initially expected at such frequencies with the triggered read-out system operated at 250 kHz for LHC Run 3. The obtained results confirm that the proposed read-out scheme is a viable option for the ALICE TOF detector. The results also highlighted that it will be advantageous if the ALICE-TOF group also implement an online monitoring system of noisy channels to allow their deactivation in real time.

Machine learning "as a service" for high energy physics (MLaaS4HEP): evolution of a framework for ML-based physics analyses

The scientific success of the LHC experiments at CERN highly depends on the availability of computing resources which efficiently store, process, and analyse the amount of data collected every year. This is ensured by the Worldwide LHC Computing Grid infrastructure that connect computing centres distributed all over the world with high performance network. LHC has an ambitious experimental program for the coming years, which includes large investments and improvements both for the hardware of the detectors and for the software and computing systems, in order to deal with the huge increase in the event rate expected from the High Luminosity LHC (HL-LHC) phase and consequently with the huge amount of data that will be produced. Since few years the role of Artificial Intelligence has become relevant in the High Energy Physics (HEP) world. Machine Learning (ML) and Deep Learning algorithms have been successfully used in many areas of HEP, like online and offline reconstruction programs, detector simulation, object reconstruction, identification, Monte Carlo generation, and surely they will be crucial in the HL-LHC phase. This thesis aims at contributing to a CMS R&D project, regarding a ML "as a Service" solution for HEP needs (MLaaS4HEP). It consists in a data-service able to perform an entire ML pipeline (in terms of reading data, processing data, training ML models, serving predictions) in a completely model-agnostic fashion, directly using ROOT files of arbitrary size from local or distributed data sources. This framework has been updated adding new features in the data preprocessing phase, allowing more flexibility to the user. Since the MLaaS4HEP framework is experiment agnostic, the ATLAS Higgs Boson ML challenge has been chosen as physics use case, with the aim to test MLaaS4HEP and the contribution done with this work.

Tecniche di apprendimento automatico per la ricerca di eventi top-top con l’esperimento ATLAS a LHC

Il Modello Standard è attualmente la teoria che meglio spiega il comportamento della fisica subnucleare, includendo la definizione delle particelle e di tre delle quattro forze fondamentali presenti in natura; risulta però una teoria incompleta sulle cui integrazioni i fisici stanno lavorando in diverse direzioni: uno degli approcci più promettenti nella ricerca di nuova fisica risulta essere quello delle teorie di campo efficaci. Il vertice di interazione del processo di produzione di coppie di quark top dello stesso segno a partire da protoni è fortemente soppresso nel Modello Standard e deve quindi essere interpretato con le teorie di campo efficaci. Il presente elaborato si concentra su questo nuovo approccio per la ricerca di quark top same-sign e si focalizza sull’utilizzo di una rete neurale per discriminare il segnale dal fondo. L’obiettivo è capire se le prestazioni di quest’ultima cambino quando le vengono fornite in ingresso variabili di diversi livelli di ricostruzione. Utilizzando una rete neurale ottimizzata per la discriminazione del segnale dal fondo, le si sono presentati tre set di variabili per l’allenamento: uno di alto livello, il secondo strettamente di basso livello, il terzo copia del secondo con aggiunta delle due variabili principali di b-tagging. Si è dimostrato che la performance della rete in termini di classificazione segnale-fondo rimane pressoché inalterata: la curva ROC presenta aree sottostanti le curve pressoché identiche. Si è notato inoltre che nel caso del set di variabili di basso livello, la rete neurale classifica come input più importanti gli angoli azimutali dei leptoni nonostante questi abbiano distribuzioni identiche tra segnale e fondo: ciò avviene in quanto la rete neurale è in grado di sfruttare le correlazioni tra le variabili come caratteristica discriminante. Questo studio preliminare pone le basi per l’ottimizzazione di un approccio multivariato nella ricerca di eventi con due top dello stesso segno prodotti a LHC.

Calibrazione di un rilevatore gamma con un flash adc e il software di acquisizione dati dell'esperimento atlas

La tesi descrive lo sviluppo di un pezzo di software di acquisizione dati per l'esperimento LUCID di ATLAS al CERN che viene testato nella calibrazione di due rivelatori inorganici cristallini allo ioduro di sodio

Selezione dei fotomoltiplicatori per le misure di luminosita in atlas

Il rivelatore di luminosità LUCID di ATLAS, in LHC, deve cambiare fotomoltiplicatori durante il Long Shutdown I. Due modelli candidati per la sostituzione sono stati irradiati con raggi gamma per studiarne la resistenza alla radiazione. In questa tesi si riportano i risultati delle misure di dark current, guadagno relativo e risposta spettrale prima e dopo l'irraggiamento. L'unica differenza di rilievo dopo l'irraggiamento risulta essere l'aumento di dark current. All'interno dell'incertezza di misura, non ci sono variazioni negli altri parametri e non ci sono differenze sostanziali fra i due modelli.

Studio della parametrizzazione del fondo per la ricerca del bosone di higgs nel modello supersimmetrico minimale con l'esperimento cms a lhc

Questa tesi si svolge nell’ambito della ricerca del bosone di Higgs supersimmetrico all’esperimento CMS del Cern, sfruttando le collisioni protone-protone dell’acceleratore LHC. Il lavoro da me svolto riguarda lo studio della parametrizzazione dell’insieme dei dati che costituiscono il fondo dell’eventuale presenza di un segnale del bosone di Higgs nel modello supersimmetrico minimale. Ho eseguito dei fit al fondo aspettato tramite il package Root, utilizzando diverse funzioni per parametrizzarne analiticamente l’andamento. Nel lavoro di tesi mostro come tali funzioni approssimano i dati e ne discuto le loro caratteristiche e differenze.

Measurement of CP asymmetries in $\lambda^0_b \to pk^-$ and $\lambda^0_b \to p \pi^-$ decays at LHCb

The LHCb experiment has been designed to perform precision measurements in the flavour physics sector at the Large Hadron Collider (LHC) located at CERN. After the recent observation of CP violation in the decay of the Bs0 meson to a charged pion-kaon pair at LHCb, it is interesting to see whether the same quark-level transition in Λ0b baryon decays gives rise to large CP-violating effects. Such decay processes involve both tree and penguin Feynman diagrams and could be sensitive probes for physics beyond the Standard Model. The measurement of the CP-violating observable defined as ∆ACP = ACP(Λ0b → pK−)−ACP(Λ0b →pπ−),where ACP(Λ0b →pK−) and ACP(Λ0b →pπ−) are the direct CP asymmetries in Λ0b → pK− and Λ0b → pπ− decays, is presented for the first time using LHCb data. The procedure followed to optimize the event selection, to calibrate particle identification, to parametrise the various components of the invariant mass spectra, and to compute corrections due to the production asymmetry of the initial state and the detection asymmetries of the final states, is discussed in detail. Using the full 2011 and 2012 data sets of pp collisions collected with the LHCb detector, corresponding to an integrated luminosity of about 3 fb−1, the value ∆ACP = (0.8 ± 2.1 ± 0.2)% is obtained. The first uncertainty is statistical and the second corresponds to one of the dominant systematic effects. As the result is compatible with zero, no evidence of CP violation is found. This is the most precise measurement of CP violation in the decays of baryons containing the b quark to date. Once the analysis will be completed with an exhaustive study of systematic uncertainties, the results will be published by the LHCb Collaboration.

Caratterizzazione dei fotomoltiplicatori per il luminometro LUCID dell'esperimento ATLAS presso il Large Hadron Collider

Qualificazione dei fotomoltiplicatori che saranno installati nel sottorivelatore LUCID dell'esperimento ATLAS a LHC.

Measurement of ttbar production differential cross section at \sqrt{s}=8 TeV at ATLAS

Top quark studies play an important role in the physics program of the Large Hadron Collider (LHC). The energy and luminosity reached allow the acquisition of a large amount of data especially in kinematic regions never studied before. In this thesis is presented the measurement of the ttbar production differential cross section on data collected by ATLAS in 2012 in proton proton collisions at \sqrt{s} = 8 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb^{−1}. The measurement is performed for ttbar events in the semileptonic channel where the hadronically decaying top quark has a transverse momentum above 300 GeV. The hadronic top quark decay is reconstructed as a single large radius jet and identified using jet substructure properties. The final differential cross section result has been compared with several theoretical distributions obtaining a discrepancy of about the 25% between data and predictions, depending on the MC generator. Furthermore the kinematic distributions of the ttbar production process are very sensitive to the choice of the parton distribution function (PDF) set used in the simulations and could provide constraints on gluons PDF. In particular in this thesis is performed a systematic study on the PDF of the protons, varying several PDF sets and checking which one better describes the experimental distributions. The boosted techniques applied in this measurement will be fundamental in the next data taking at \sqrt{s}=13 TeV when will be produced a large amount of heavy particles with high momentum.

Un'infrastruttura distribuita per l'acquisizione e la visualizzazione interattiva dei dati dell'LHC

Questo progetto di tesi è lo sviluppo di un sistema distribuito di acquisizione e visualizzazione interattiva di dati. Tale sistema è utilizzato al CERN (Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare) al fine di raccogliere i dati relativi al funzionamento dell'LHC (Large Hadron Collider, infrastruttura ove avvengono la maggior parte degli esperimenti condotti al CERN) e renderli disponibili al pubblico in tempo reale tramite una dashboard web user-friendly. L'infrastruttura sviluppata è basata su di un prototipo progettato ed implementato al CERN nel 2013. Questo prototipo è nato perché, dato che negli ultimi anni il CERN è diventato sempre più popolare presso il grande pubblico, si è sentita la necessità di rendere disponibili in tempo reale, ad un numero sempre maggiore di utenti esterni allo staff tecnico-scientifico, i dati relativi agli esperimenti effettuati e all'andamento dell'LHC. Le problematiche da affrontare per realizzare ciò riguardano sia i produttori dei dati, ovvero i dispositivi dell'LHC, sia i consumatori degli stessi, ovvero i client che vogliono accedere ai dati. Da un lato, i dispositivi di cui vogliamo esporre i dati sono sistemi critici che non devono essere sovraccaricati di richieste, che risiedono in una rete protetta ad accesso limitato ed utilizzano protocolli di comunicazione e formati dati eterogenei. Dall'altro lato, è necessario che l'accesso ai dati da parte degli utenti possa avvenire tramite un'interfaccia web (o dashboard web) ricca, interattiva, ma contemporaneamente semplice e leggera, fruibile anche da dispositivi mobili. Il sistema da noi sviluppato apporta miglioramenti significativi rispetto alle soluzioni precedentemente proposte per affrontare i problemi suddetti. In particolare presenta un'interfaccia utente costituita da diversi widget configurabili, riuitilizzabili che permettono di esportare i dati sia presentati graficamente sia in formato "machine readable". Un'alta novità introdotta è l'architettura dell'infrastruttura da noi sviluppata. Essa, dato che è basata su Hazelcast, è un'infrastruttura distribuita modulare e scalabile orizzontalmente. È infatti possibile inserire o rimuovere agenti per interfacciarsi con i dispositivi dell'LHC e web server per interfacciarsi con gli utenti in modo del tutto trasparente al sistema. Oltre a queste nuove funzionalità e possbilità, il nostro sistema, come si può leggere nella trattazione, fornisce molteplici spunti per interessanti sviluppi futuri.

Controllo della misura della luminosità con il canale Z -> mu+mu- in ATLAS

La misura della sezione d'urto di processi fisici prodotti negli urti fra protoni ad LHC è uno dei settori più importanti della ricerca in corso, sia per verificare le predizioni del Modello Standard, che per la ricerca di nuova fisica. La precisione necessaria per distinguere fenomeni standard e non, richiede un ottimo controllo delle incertezze sistematiche. Fra le sorgenti di errore sistematico, di particolare importanza sono quelle sulla misura della luminosità, che rappresenta il fattore di normalizzazione necessario per la misura di qualsiasi sezione d'urto. Ogni esperimento che si proponga misure di questo genere è quindi dotato di monitor di luminosità dedicati. In questa tesi sono presentate le tecniche di misura della luminosità ad ATLAS utilizzando i rivelatori dedicati e le problematiche incontrate nel corso della presa dati del 2012, sia per quanto riguarda la loro procedura di calibrazione assoluta, che per la loro stabilità in funzione del tempo e linearità di risposta, e vengono fornite le incertezze sistematiche dipendenti dal loro confronto. Per meglio comprendere tali risultati, si è studiato il canale di produzione del bosone Z nelle interazioni protone-protone, all'energia nel centro di massa s = √8 TeV mediante il suo decadimento in due muoni, utilizzando i dati acquisiti nel corso del 2012 Nel primo capitolo vengono definiti i concetti di luminosità istantanea ed integrata, sia dalla prospettiva del collider che le fornisce, che dal punto di vista delle analisi di fisica, quale quella svolta in questa tesi. Nel secondo capitolo viene descritto l'insieme dei rivelatori utilizzati da ATLAS per la misura della luminosità e i risultati ottenuti mediante il loro confronto in termini di incertezze sistematiche. Nel terzo capitolo viene infine presentata la misura della sezione d'urto di produzione del bosone Z e l'utilizzo di tale misura per il controllo della stabilità nel tempo e della linearità della misura sperimentale della luminosità.

Measurement of the Z and W production cross section in pp collisions at LHC using a bayesian approach

L’obiettivo di tutto il mio lavoro è stato quello di misurare le sezioni d’urto di produzione dei bosoni deboli W ± e Z nei loro decadimenti leptonici (e, μ) coi dati raccolti dal rivelatore ATLAS a LHC con un’energia del centro di massa di √s = 13 TeV relativi all’estate 2015. Gli eventi selezionati sono gli stessi di quelli del recente articolo della Collaborazione ATLAS sullo stesso argomento, in modo anche da poter operare un confronto tra i risultati ottenuti. Confronto peraltro necessario, poichè i risultati sono stati ottenuti con due metodologie differenti: tradizionale (classica) per l’articolo, bayesiana in questa tesi. L’approccio bayesiano permette di combinare i vari canali e di trattare gli effetti sistematici in modo del tutto naturale. I risultati ottenuti sono in ottimo accordo con le predizioni dello Standard Model e con quelli pubblicati da ATLAS.

Diffusion model of the hollow electron lens for HL-LHC

In the upcoming years, various upgrades and improvements are planned for the CERN Large Hadron Collider (LHC) and represent the mandate of the High-Luminosity project. The upgrade will allow for a total stored beam energy of about 700 MJ, which will need, among others, an extremely efficient collimation system. This will be achieved with the addition of a hollow electron lens (HEL) system to help control the beam-halo depletion and mitigate the effects of fast beam losses. In this master thesis, we present a diffusion model of the HEL for HL-LHC. In particular, we explore several scenarios to use such a device, focusing on the halo depletion efficiency given by different noise regimes.

Deployment of a data analysis workflow of the ATLAS experiment on HPC systems

LHC experiments produce an enormous amount of data, estimated of the order of a few PetaBytes per year. Data management takes place using the Worldwide LHC Computing Grid (WLCG) grid infrastructure, both for storage and processing operations. However, in recent years, many more resources are available on High Performance Computing (HPC) farms, which generally have many computing nodes with a high number of processors. Large collaborations are working to use these resources in the most efficient way, compatibly with the constraints imposed by computing models (data distributed on the Grid, authentication, software dependencies, etc.). The aim of this thesis project is to develop a software framework that allows users to process a typical data analysis workflow of the ATLAS experiment on HPC systems. The developed analysis framework shall be deployed on the computing resources of the Open Physics Hub project and on the CINECA Marconi100 cluster, in view of the switch-on of the Leonardo supercomputer, foreseen in 2023.

Adattamento e valutazione del software di ricostruzione Patatrack per rivelatori a pixel applicato a dati TrackML

La ricostruzione delle traiettorie delle particelle prodotte dai vertici di interazione a LHC è di fondamentale importanza per tutti gli esperimenti. Questo passo è uno dei più dispendiosi in termini di tempo e calcolo computazionale nella catena di ricostruzione dell’evento e diventa sempre più complesso con l’aumentare del numero di collisioni. L’esperimento CMS adotta un rivelatore di tracciamento con tecnologia al silicio, dove la parte più interna sfrutta rivelatori con geometria a pixel, mentre la parte esterna utilizza delle strisce di silicio. Per quanto riguarda la ricostruzione nel rivelatore a pixel, sono stati sviluppati diversi algoritmi ottimizzati per fronteggiare l’alto rate di acquisizione dati, sfruttando anche il calcolo parallelo su GPU, con un’efficienza di tracciamento comparabile o superiore agli algoritmi precedentemente utilizzati. Questi nuovi algoritmi sono alla base del software Patatrack per la ricostruzione delle traiettorie. Il lavoro descritto in questa tesi punta ad adattare Patatrack ad una geometria diversa e più complessa di quella di CMS e di valutarne le prestazioni di fisica e computazionali. Sono stati utilizzati i dati forniti dalla TrackML challenge, il cui scopo è incentivare lo sviluppo di nuovi algoritmi di ricostruzione di tracce per gli esperimenti in fisica delle alte energie. E' stato condotto uno studio approfondito della nuova geometria per potervi successivamente adattare il software esistente. Infine, la catena di ricostruzione è stata modificata per poter utilizzare i dati forniti dalla TrackML challenge e permettere la ricostruzione delle traiettorie.