Performance studies of CMS workflows using Big Data technologies

Al Large Hadron Collider (LHC) ogni anno di acquisizione dati vengono raccolti più di 30 petabyte di dati dalle collisioni. Per processare questi dati è necessario produrre un grande volume di eventi simulati attraverso tecniche Monte Carlo. Inoltre l'analisi fisica richiede accesso giornaliero a formati di dati derivati per centinaia di utenti. La Worldwide LHC Computing GRID (WLCG) è una collaborazione interazionale di scienziati e centri di calcolo che ha affrontato le sfide tecnologiche di LHC, rendendone possibile il programma scientifico. Con il prosieguo dell'acquisizione dati e la recente approvazione di progetti ambiziosi come l'High-Luminosity LHC, si raggiungerà presto il limite delle attuali capacità di calcolo. Una delle chiavi per superare queste sfide nel prossimo decennio, anche alla luce delle ristrettezze economiche dalle varie funding agency nazionali, consiste nell'ottimizzare efficientemente l'uso delle risorse di calcolo a disposizione. Il lavoro mira a sviluppare e valutare strumenti per migliorare la comprensione di come vengono monitorati i dati sia di produzione che di analisi in CMS. Per questa ragione il lavoro è comprensivo di due parti. La prima, per quanto riguarda l'analisi distribuita, consiste nello sviluppo di uno strumento che consenta di analizzare velocemente i log file derivanti dalle sottomissioni di job terminati per consentire all'utente, alla sottomissione successiva, di sfruttare meglio le risorse di calcolo. La seconda parte, che riguarda il monitoring di jobs sia di produzione che di analisi, sfrutta tecnologie nel campo dei Big Data per un servizio di monitoring più efficiente e flessibile. Un aspetto degno di nota di tali miglioramenti è la possibilità di evitare un'elevato livello di aggregazione dei dati già in uno stadio iniziale, nonché di raccogliere dati di monitoring con una granularità elevata che tuttavia consenta riprocessamento successivo e aggregazione “on-demand”.

Caratterizzazione di un sistema di veto per un rilvelatore di neutroni nell'ambito dell'esperimento FOOT

L’adroterapia è un tipo di terapia oncologica in cui il tumore è irraggiato con particelle cariche (adroni) quali protoni e ioni carbonio. Il vantaggio principale rispetto alla radioterapia convenzionale a raggi X consiste nel fatto che l’irraggiamento con adroni non coinvolge i tessuti sani circostanti quelli malati. Tuttavia, si conosce ancora poco sui processi di frammentazione nucleare che avvengono tra gli adroni del fascio usato nel trattamento e i nuclei presenti nel corpo umano. Così, nel 2017 nasce l’esperimento FOOT (FragmentatiOn Of Target) con lo scopo di misurare le sezioni d’urto differenziali dei frammenti nucleari prodotti nell’interazione a energie di 200-400 MeV/u (tipicamente impiegate in adroterapia). Attualmente l’apparato sperimentale di FOOT è in grado di compiere misure accurate solo per frammenti carichi, ma nell’ultimo anno si è cominciata ad esplorare la possibilità di rivelare anche i neutroni. Per questa operazione è necessario servirsi di scintillatori liquidi affiancati ad un sistema di veto costituito da scintillatori plastici sottili accoppiati a sensori che segnalano il passaggio di eventuali frammenti carichi. In una precedente campagna di misure con la collaborazione FOOT, si sono utilizzati come sensori dei tubi fotomoltiplicatori (PMT). Per migliorare le prestazioni del sistema di veto si è reso necessario l’utilizzo di scintillatori plastici veloci, letti da sensori fotomoltiplicatori al silicio (SiPM). In questa tesi mi sono occupato della risoluzione temporale dei segnali acquisiti con scintillatori plastici EJ-204 di 3 mm di spessore, letti da SiPM SenseL®.

Analisi e implementazione di un sistema di autorizzazione compatibile con token OAuth 2.0 e certificati VOMS

Il Worldwide LHC Computing Grid (WLCG) è una collaborazione internazionale costituita da decine di centri di calcolo distribuiti globalmente, la cui missione consiste nell'elaborazione delle grandi quantità di dati prodotti dai maggiori esperimenti di Fisica delle Alte Energie, in particolare quelli al CERN di Ginevra. Uno di questi centri di calcolo è ospitato presso il CNAF dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare a Bologna, che contribuisce anche allo sviluppo di middleware per la gestione dell'infrastruttura. Molti componenti di tale middleware, che hanno funzionalità e scopi diversi, richiedono un servizio di autorizzazione versatile e compatibile con i meccanismi di autenticazione attualmente in uso, basati su token OAuth 2.0 e su certificati VOMS Proxy. In questa tesi si analizzerà l'architettura e l'implementazione di un proof-of-concept di un sistema di autorizzazione che soddisfi queste necessità, enfatizzando l'integrazione delle tecniche di autenticazione citate. Per dimostrare la sua versatilità, verrà illustrato il processo di interfacciamento con un componente middleware attualmente in sviluppo al CNAF. Il risultato finale ottenuto è un sistema che rispetta i vincoli richiesti e si integra facilmente con servizi eterogenei.

Applicazioni della tomografia neutronica nel campo dei beni culturali

Questa tesi illustra una nuova tecnica di imaging per la diagnostica dei Beni Culturali basata sull’utilizzo di neutroni, e la confronta con la più comune tecnica a raggi X. Dopo una panoramica sui due diversi tipi di radiazioni, si evidenziano le loro differenze e la loro complementarietà nella realizzazione di radiografie e tomografie di opere d’arte riscontrate in letteratura. L’utilizzo dei neutroni si mostra in grado di ampliare le informazioni ricavabili con i raggi X, consentendo una visualizzazione completa dell’opera e un migliore approccio in eventuali interventi di restauro. Successivamente sono analizzati e elaborati alcuni dati acquisiti nell’ambito del progetto NICHE (Neutron Imaging for Cultural Heritage) proposto da alcuni laboratori della rete INFN-CHNet (Cultural Heritage Network dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), il cui obiettivo principale è la realizzazione della prima facility per l’imaging a neutroni in Italia.

Principali reazioni termo-nucleari nelle stelle

Le stelle sono strutture fluide in equilibrio idrostatico. Di conseguenza, per equilibrare la forza di gravità è necessario che nell'interno delle stelle ci siano meccanismi capaci di produrre una enorme quantità di energia durante tutto il ciclo vitale della stella, dal momento della sua "nascita" a quello della sua "morte". Questo elaborato vuole esplorare brevemente quali siano questi meccanismi, quanta energia producono e le condizioni necessarie affinché si inneschino. Il primo capitolo introduce nozioni base di fisica nucleare necessarie per la trattazione ed espone le principali reazioni nucleari fondamentali; il secondo capitolo si occupa delle reazioni termonucleari caratteristiche degli interni stellari, ponendo attenzione anche al lato energetico del processo.

L'uso degli acceleratori in medicina nucleare

In questo lavoro di tesi si indaga come gli acceleratori di particelle si siano rivelati di fondamentale utilità nel settore medico-sanitario, risolvendo problematiche fisiche ed economiche legate alla produzione di radioisotopi. Per riuscire ad effettuare procedure terapeutiche e diagnostiche di qualità senza ricondursi a tecniche invasive, sta diventando sempre più importante disporre di ciclotroni nelle vicinanze delle strutture ospedaliere. Di fronte alla carenza di radionuclidi e alla necessità di produrre nuovi radiofarmaci, il mondo si sta muovendo per affiancare ai pochi reattori nucleari rimasti operativi, progetti nati dalla collaborazione di diversi centri di ricerca. In particolare in Italia è in corso un progetto, il TECHN-OPS, portato avanti da diverse sezioni INFN (compreso quella di Bologna), che si pone l’obiettivo di supplire al bisogno di 99m-Tc sfruttando una rete limitata di ciclotroni (che utilizzano bersagli di molibdeno arricchito) e lo sviluppo di metodi di riciclo di 100-Mo e di ottimizzazione delle varie fasi di produzione.

Caratterizzazione di campioni stratificati sabbia/argilla mediante tecniche a risonanza magnetica nucleare

Questo lavoro ha l’obbiettivo di valutare i risultati ottenuti su campioni stratificati sabbia/argilla attraverso l’applicazione della risonanza magnetica nucleare e di confrontare la risposta ottenuta tramite uno strumento di misura di laboratorio con quella di una sonda geofisica normalmente utilizzata per le analisi in pozzo. Tale lavoro si è reso necessario per comprendere le cause per cui la sonda CMR-Tool realizzata da Schlumberger non sia in grado di mettere in evidenza la stratificazione sabbia/argilla che caratterizza il bacino sedimentario dell’Adriatico in cui è presente un importante bacino di coltivazione di gas naturale. La tipica risposta NMR su una formazione stratificata sabbia/argilla è costituita da una distribuzione bimodale dei tempi di rilassamento che la sonda suddetta, nel caso specifico, non è in grado di produrre. Pertanto, per conoscere le cause per cui tale bimodalità della distribuzione non si presenti, è stato necessario confrontare i risultati derivanti dalla sonda CMR-Tool e quelli ottenuti con un rilassometro a basso campo (0,2T) presente nei laboratori LAGIRN della Facoltà di Ingegneria di Bologna. Le misure sono state eseguite su diversi campioni, stratificati e non, realizzati ad hoc con conformazioni diverse per i due strumenti. Si sono inoltre eseguite misure su 4 sabbie a diversa granulometria, per valutare l’andamento dei tempi di rilassamento in funzione della dimensione dei grani. A tal fine, il lavoro di tesi si struttura in cinque capitoli principali. Nei primi due capitoli si sono discusse in breve le metodologie e le tecniche di valutazione delle georisorse fluide e si sono introdotti i principi fisici della risonanza magnetica nucleare ed i meccanismi che regolano tale fenomeno nei mezzi porosi. Nel terzo e quarto capitolo sono descritte le applicazioni petrofisiche, le tecniche e le metodologie di indagine comunemente usate allo scopo di ricavare alcune grandezze fisiche di interesse e gli strumenti adoperati per ottenere le misure geofisiche in pozzo. Nell’ultimo capitolo sono invece esposti, in maniera completa e schematica, le prove sperimentali eseguite sia presso il laboratorio LAGIRN dell’Università di Bologna e presso quello Schlumberger di Pescara. Nella sua impostazione, il lavoro è stato sviluppato per essere studiato e compreso in maniera chiara, cercando di rendere la lettura la più semplice possibile, in relazione con la complessità caratteristica del fenomeno NMR. I risultati ottenuti hanno una valenza importante e di estrema attualità nell’ambito della valutazione delle georisorse fluide ed arricchiscono ancor di più le conoscenze riguardanti le applicazioni delle tecniche a risonanza magnetica nucleare sui mezzi porosi.