Neutrino interactions in the SAND LAr volume at the DUNE Near Detector site

The neutrino mass ordering and the leptonic CP violation phase are key parameters of the three-neutrino flavour mixing still to be determined. Measuring these parameters is the main goal of DUNE, a next generation Long Baseline neutrino experiment under construction in the United States. DUNE will feature a Near and a Far Detector site. An important component of the Near detector complex is the SAND apparatus, which will include GRAIN, a novel liquid Argon detector that aims at imaging neutrino interactions using scintillation light. For this purpose, an innovative optical readout system based on Coded Aperture Masks is under study. This thesis work is aimed at a first quantitative assessment of a 3D neutrino event reconstruction algorithm for GRAIN. The processing procedure is optimized and the reconstruction performance is evaluated. Promising results are obtained.

Cryogenic optical readout for a liquid argon neutrino imaging detector

The GRAIN detector is part of the SAND Near Detector of the DUNE neutrino experiment. A new imaging technique involving the collection of the scintillation light will be used in order to reconstruct images of particle tracks in the GRAIN detector. Silicon photomultiplier (SiPM) matrices will be used as photosensors for collecting the scintillation light emitted at 127 nm by liquid argon. The readout of SiPM matrices inside the liquid argon requires the use of a multi-channel mixed-signal ASIC, while the back-end electronics will be implemented in FPGAs outside the cryogenic environment. The ALCOR (A Low-power Circuit for Optical sensor Readout) ASIC, developed by Torino division of INFN, is under study, since it is optimized to readout SiPMs at cryogenic temperatures. I took part in the realization of a demonstrator of the imaging system, which consists of a SiPM matrix connected to a custom circuit board, on which an ALCOR ASIC is mounted. The board communicates with an FPGA. The first step of the present project that I have accomplished was the development of an emulator for the ALCOR ASIC. This emulator allowed me to verify the correct functioning of the initial firmware before the real ASIC itself was available. I programmed the emulator using VHDL and I also developed test benches in order to test its correct working. Furthermore, I developed portions of the DAQ software, which I used for the acquisition of data and the slow control of the ASICs. In addition, I made some parts of the DAQ firmware for the FPGAs. Finally, I tested the complete SiPMs readout system at both room and cryogenic temperature in order to ensure its full functionality.

Bispectrum of cosmological models with massive neutrinos

Uno dei più importanti campi di ricerca che coinvolge gli astrofisici è la comprensione della Struttura a Grande Scala dell'universo. I principi della Formazione delle Strutture sono ormai ben saldi, e costituiscono la base del cosiddetto "Modello Cosmologico Standard". Fino agli inizi degli anni 2000, la teoria che spiegava con successo le proprietà statistiche dell'universo era la cosiddetta "Teoria Perturbativa Standard". Attraverso simulazioni numeriche e osservazioni di qualità migliore, si è evidenziato il limite di quest'ultima teoria nel descrivere il comportamento dello spettro di potenza su scale oltre il regime lineare. Ciò spinse i teorici a trovare un nuovo approccio perturbativo, in grado di estendere la validità dei risultati analitici. In questa Tesi si discutono le teorie "Renormalized Perturbation Theory"e"Multipoint Propagator". Queste nuove teorie perturbative sono la base teorica del codice BisTeCca, un codice numerico originale che permette il calcolo dello spettro di potenza a 2 loop e del bispettro a 1 loop in ordine perturbativo. Come esempio applicativo, abbiamo utilizzato BisTeCca per l'analisi dei bispettri in modelli di universo oltre la cosmologia standard LambdaCDM, introducendo una componente di neutrini massicci. Si mostrano infine gli effetti su spettro di potenza e bispettro, ottenuti col nostro codice BisTeCca, e si confrontano modelli di universo con diverse masse di neutrini.

Confronto tra la direzione di arrivo dei neutrini di ANTARES e IceCube

[Abstract]. Questo lavoro è finalizzato al confronto delle rivelazioni di canditati eventi di neutrino cosmico da parte di due esperimenti ANTARES ed ICECUBE. I due apparati, entrambi basati sulla rivelazione di radiazione Cherenkov generata da prodotti di interazione CC dei neutrini, si differenziano per la geometria del detector e per il mezzo in cui viene prodotta la radiazione, e hanno quindi sensibilità e risoluzione diverse. L'analisi dei dati è basata sulla rappresentazione delle direzioni di arrivo degli eventi su mappa celeste nei due sistemi di coordinate galattico ed equatoriale. La sovrapposizione della distribuzioni degli eventi ha permesso di evidenziare le zone di visibilità sulla mappa celeste caratteristiche di ciascun esperimento. Una successiva analisi statistica ha analizzato la frequenza delle occorenze di eventi del dataset di ANTARES in intorni di raggio crescente di eventi di ICECUBE, per valutare eventuali eventi identificabili nei due dataset. Questa analisi ha evidenziato la necessità di una selezione preventiva degli eventi del dataset di ANTARES, in base a criteri non solo topologici, in modo da permettere una eventuale identificazione di eventi coincidenti.

Studio e sviluppo di un'infrastruttura di supporto alla schedulazione di hard/soft real-time tasks in ambiente QNX.

La tesi tratta lo studio del sistema QNX e dello sviluppo di un simulatore di task hard/soft real-time, tramite uso di un meta-scheduler. Al termine dello sviluppo vengono valutate le prestazioni del sistema operativo QNX Neutrino.

Correlazioni tra UHECRs di Auger e neutrini di ANTARES

Questo lavoro ha lo scopo di individuare una strada nella ricerca di un confronto tra canditati eventi di neutrino cosmico da parte dell'esperimento ANTARES ,nel Mar Mediterraneo a sud est della costa di Tolone, in Francia e gli Ultra High Energy Cosmic Rays dell'osservatorio Pierre Auger in Argentina. Si utilizzano dati raccolti dal telescopio di neutrini ANTARES tra il 2007 e il 2013, con energie dell'ordine del TeV, e quelli di Auger ottenuti tra il 2004 e il 2014, con energie dei raggi cosmici dell'ordine dell'EeV. Entrambi gli apparati sono basati sulla rivelazione di radiazione Cherenkov, ma l'osservatorio di Auger è dotato di un secondo rivelatore di luminescenza che lavora in sincrono per ridurre gli errori sistematici associati ai singoli rivelatori. Le distribuzioni degli eventi in base alle direzioni di arrivo e dell' energia osservata, sono i parametri necessari per la ricerca di una correlazione. Dalla sovrapposizione delle distribuzioni possiamo evidenziare le zone di visibilità caratteristiche di ciascun esperimento, e condurre un eventuale successiva analisi finalizzata ad una identificazione univoca di eventi coincidenti.

Fattibilità della misura di cattura neutronica sugli isotopi dispari del gadolinio

In questo lavoro di tesi ci proponiamo di determinare lo spessore degli isotopi ^157Gd e ^155Gd in vista della misura della sezione d’urto di cattura neutronica presso la facility n_TOF del CERN. La principale motivazione dell’esperimento è legata alla necessità di ottenere misure più accurate per le applicazioni ai reattori nucleari. Inoltre, i nuovi risultati, potranno essere sfruttati anche per applicazioni ai recenti sviluppi nella Terapia di Cattura Neutronica e per costruire nuovi rivelatori nell’ambito della ricerca del neutrino. La misura sarà effettuata nella prima area sperimentale EAR-1 di n_TOF, equipaggiata con rivelatori, come per esempio gli scintillatori liquidi al benzene deuterato (C6 D6) particolarmente adatti per questi tipi di misura. La sezione d’urto di questi due isotopi cambia di molti ordini di grandezza al variare dell’energia dei neutroni incidenti. Per questo motivo, lo studio effettuato in questa tesi ha mostrato che sono necessari due campioni altamente arricchiti per ogni isotopo da misurare: un campione estremamente sottile per energie del neutrone fino a 100 meV, e uno più spesso per energie maggiori. Inoltre per questi campioni sono stati determinati le densità areali necessarie per lo svolgimento dell’esperimento affinchè avvenga il fenomeno di trasmissione dei neutroni.

Fattibilità della misura di cattura neutronica sugli isotopi dispari del gadolinio

In questo lavoro di tesi ci proponiamo di determinare lo spessore degli isotopi ^155Gd e ^157Gd in vista della misura della sezione d’urto di cattura neutronica presso la facility n_TOF del CERN. La principale motivazione dell’esperimento è legata alla necessità di ottenere misure più accurate per le applicazioni ai reattori nucleari. Inoltre, i nuovi risultati, potranno essere sfruttati anche per applicazioni ai recenti sviluppi nella Terapia di Cattura Neutronica e per costruire nuovi rivelatori nell’ambito della ricerca del neutrino. La misura sarà effettuata nella prima area sperimentale EAR-1 di n TOF, equipaggiata con rivelatori, come per esempio gli scintillatori liquidi al benzene deuterato (C6D6) particolarmente adatti per questi tipi di misura. La sezione d’urto di questi due isotopi cambia di molti ordini di grandezza al variare dell’energia dei neutroni incidenti. Per questo motivo, lo studio effettuato in questa tesi ha mostrato che sono necessari due campioni altamente arricchiti per ogni isotopo da misurare: un campione estremamente sottile per energie del neutrone fino a 100 meV, e uno più spesso per energie maggiori. Inoltre per questi campioni sono stati determinati le densità areali necessarie per lo svolgimento dell’esperimento affinchè avvenga il fenomeno di trasmissione dei neutroni.

Studio di fattibilità della ricostruzione del decadimento $D^0\to K^-\mu^+\nu_{\mu}$ ad LHCb

Il Modello Standard delle particelle elementari prevede l’universalità del sapore leptonico, cioè l’uguaglianza della probabilità di accoppiamento dei bosoni di gauge carichi dell’interazione debole con tutti i leptoni. Recentemente, le Collaborazioni LHCb, BaBar e Belle, misurando il rapporto tra i branching ratio dei decadimenti $B^0\to D^{∗− }\tau^+\nu_{\tau} e $B^0 →D^{∗−}\mu^+\nu_{\mu}, hanno osservato una deviazione dai valori previsti dal Modello Standard di 3.9 deviazioni standard. Questo interessante risultato, se confermato, indicherebbe l’esistenza di nuove particelle, come per esempio il bosone di Higgs carico. Analogamente ai decadimenti del mesone $B^0$ , è possibile cercare effetti analoghi anche nel rapporto di branching ratio dei decadimenti $D^0\to K^ −\mu^+\nu_{\mu}$ e $D^0\to K^−e^+\nu_e$ . In questo lavoro di tesi è stato realizzato uno studio preliminare di questa misura. In particolare, è stato studiata, tramite simulazioni Monte Carlo, la ricostruzione del processo $D^{*\pm}\to D^0 (\to K^− \mu+\nu_{\mu})\pi_s^{\pm}$ nell’esperimento LHCb. Questo canale ha la particolarità di avere una particella invisibile, il neutrino, al rivelatore LHCb. Tuttavia, mediante vincoli cinematici e topologici, è possibile ricavare le componenti dell’impulso del neutrino, con risoluzioni non paragonabili a quelle di una particella visibile, ma comunque accettabili. In questa tesi sono riportati i calcoli che permettono di ottenere queste informazioni ed è stata studiata la risoluzione sulla massa invariante del $D^{∗\pm}$ . La tesi è organizzata nel seguente modo: il primo capitolo riporta le motivazioni della misura dei rapporti dei branching ratio e l’attuale stato sperimentale; il secondo capitolo contiene una breve descrizione del rivelatore LHCb; il terzo capitolo, infine, descrive lo studio di fattibilità della ricostruzione del decadimento $D^0\to K^-\mu^+\nu_{\mu}.

Evaluation of Th and U contamination in the CUORE experiment using a delayed coincidence analysis

The discovery of the neutrino mass is a direct evidence of new physics. Several questions arise from this observation, regarding the mechanism originating the neutrino masses and their hierarchy, the violation of lepton number conservation and the generation of the baryon asymmetry. These questions can be addressed by the experimental search for neutrinoless double beta (0\nu\beta\beta) decay, a nuclear decay consisting of two simultaneous beta emissions without the emission of two antineutrinos. 0\nu\beta\beta decay is possible only if neutrinos are identical to antineutrinos, namely if they are Majorana particles. Several experiments are searching for 0\nu\beta\beta decay. Among these, CUORE is employing 130Te embedded in TeO_2 bolometric crystals. It needs to have an accurate understanding of the background contribution in the energy region around the Q-value of 130Te. One of the main contributions is given by particles from the decay chains of contaminating nuclei (232Th, 235-238U) present in the active crystals or in the support structure. This thesis uses the 1 ton yr CUORE data to study these contamination by looking for events belonging to sub-chains of the Th and U decay chains and reconstructing their energy and time difference distributions in a delayed coincidence analysis. These results in combination with studies on the simulated data are then used to evaluate the contaminations. This is the first time this analysis is applied to the CUORE data and this thesis highlights the feasibility of it while providing a starting point for further studies. A part of the obtained results agrees with ones from previous analysis, demonstrating that delayed coincidence searches might improve the understanding of the CUORE experiment background. This kind of delayed coincidence analysis can also be reused in the future once the, CUORE upgrade, CUPID data will be ready to be analyzed, with the aim of improving the sensitivity to the 0\nu\beta\beta decay of 100Mo.

Caratterizzazione di SiPM in ambiente criogenico per il far detector di DUNE

DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) è un esperimento internazionale attualmente in costruzione al laboratorio Fermilab in Illinois, Stati Uniti. Il suo scopo sarà quello di studiare alcuni dei fenomeni e quesiti aperti che riguardano i neutrini: particelle debolmente interagenti facenti parte del Modello Standard. In particolare DUNE intende studiare il fenomeno dell'oscillazione di sapore dei neutrini, osservare neutrini provenienti da supernove e stelle di neutroni per studiarne la formazione e ricercare l'eventuale decadimento dei protoni. L'esperimento sarà formato da due siti sperimentali distanti circa 1300 km tra loro: il Near Detector situato a Fermilab ed il Far Detector, situato al Sanford Underground Research Facility (SURF) in South Dakota. Questa tesi è rivolta in particolare al sistema di fotorivelazione del Far Detector, che utilizza fotomoltiplicatori al silicio (Silicon Photomultipliers, o SiPM). Questi dispositivi dovranno funzionare in condizioni criogeniche in argon liquido, perciò è stata avviata un'intensiva campagna di test volta alla caratterizzazione e validazione dei sensori che saranno montati nell'apparato. La sezione INFN di Bologna è coinvolta in questa campagna e dovrà testare una parte dei SiPM destinati all'impiego in DUNE. A tale scopo è stato realizzato, nei laboratori INFN, un sistema per il test di tali dispositivi in criogenia su larga scala. L'attività di tesi ha previsto la caratterizzazione di diversi SiPM sia a temperatura ambiente sia in criogenia e l'analisi delle distribuzioni statistiche dei parametri di diversi campioni di SiPM.

Calorimetric efficiency of the DUNE experiment

The Deep Underground Neutrino Experiment is a long-baseline neutrino experiment which is under construction in the United States. It will be composed of a Near Detector system located a few hundred meters from the neutrino source at Fermilab and a far detector system composed of four multi-kt LArTPCs at Sanford Underground Research Facility in South Dakota. The experiment will measure the leptonic CP violation phase of the PMNS matrix and discriminate the ordering of neutrino masses. Additional physics goals include detection of neutrinos from supernovae collapse and search for possible proton decay. One component of the Near detector complex is the System for on-Axis Neutrino Detection apparatus, which includes GRanular Argon for Interaction of Neutrinos, a novel liquid Argon detector that aims at imaging neutrino interactions using scintillation light collected by optical system and read-out by SIPM matrix. This thesis work aims at studying the GRAIN performances as a homogeneous calorimeter, able to measure the energy deposited by charged particles in LAr through scintillation photons emitted along their path inside the vessel. The energy calibration of the liquid argon volume required to write (and validate) an efficient software for the detector response simulation to the arrival of scintillation photons.

Fermion masses, leptogenesis and gravitational waves in SO(10)

Grand Unification Theories (GUTs) predict the unification of three of the fundamental forces and are a possible extension of the Standard Model, some of them predict neutrino mass and baryon asymmetry. We consider a minimal non-supersymmetric $SO(10)$ GUT model that can reproduce the observed fermionic masses and mixing parameters of the Standard Model. We calculate the scales of spontaneous symmetry breaking from the GUT to the Standard Model gauge group using two-loop renormalisation group equations. This procedure determines the proton decay rate and the scale of $U(1)_{B-L}$ breaking, which generates cosmic strings, and the right-handed neutrino mass scales. Consequently, the regions of parameter space where thermal leptogenesis is viable are identified and correlated with the fermion masses and mixing, the neutrinoless double beta decay rate, the proton decay rate, and the gravitational wave signal resulting from the network of cosmic strings. We demonstrate that this framework, which can explain the Standard Model fermion masses and mixing and the observed baryon asymmetry, will be highly constrained by the next generation of gravitational wave detectors and neutrino oscillation experiments which will also constrain the proton lifetime