Ricostruzione di segnali multipli del rivelatore a tempo di volo (ToF) di ALICE: confronto fra dati e Monte Carlo

La fisica delle collisioni ad alte energie è, ad oggi, uno dei campi di ricerca più interessante per la verifica di modelli teorici che spieghino la nascita e la formazione dell'universo in cui viviamo. In quest'ottica lavorano esperimenti presso i più importanti acceleratori di particelle: tra questi anche l'esperimento ALICE, presso il Large Hadron Collider LHC del CERN di Ginevra. Il suo scopo principale è quello di verificare e ampliare l'insieme delle prove sperimentali alla base sull'esistenza di un nuovo stato della materia: il Quark Gluon Plasma. La presenza della transizione di fase della materia adronica ordinaria a QGP era stata teorizzata da diversi studi termodinamici e da calcoli di QCD su reticolo: in particolare si prevedeva l'esistenza di uno stato della materia in cui i quark sono deconfinati. Il QGP è dunque un plasma colorato e densissimo di quark e gluoni, liberi di interagire tra loro. Queste condizioni sarebbero state quelle dell'universo primordiale, circa 1µs dopo il Big Bang: a seguito di una transizione di fase, si sarebbe poi formata tutta la materia adronica ordinaria. Per riprodurre le condizioni necessarie alla formazione del QGP occorrono collisioni ad energie ultrarelativistiche come quelle prodotte, negli ultimi anni, dall'acceleratore LHC. Uno dei principali rivelatori dedicati all'identificazione di particelle in ALICE è il sistema a tempo di volo TOF. Nonostante un attento processo di ottimizzazione della risoluzione delle sue componenti, persistono residui errori strumentali che limitano la qualità (già ottima) del segnale, tutt'oggi oggetto di studio. L'elaborato presentato in questa tesi è suddiviso in tre capitoli: nel primo ripercorriamo gli aspetti teorici del Modello Standard e del Quark Gluon Plasma. Nel secondo descriviamo la struttura di rivelazione di ALICE, analizzando il funzionamento delle singole componenti. Nel terzo, infine, verifichiamo le principali correzioni al TOF ad oggi note, confrontando i dati a nostra disposizione con delle simulazioni Monte Carlo: questo ci permette da un lato di approfondirne la conoscenza, dall'altro di cercarne di migliorare la descrizione del comportamento del rivelatore.

Teorema di Radon-Nikodym e Statistica

Il presente elaborato vuole illustrare alcuni risultati matematici di teoria della misura grazie ai quali si sono sviluppate interessanti conseguenze nel campo della statistica inferenziale relativamente al concetto di statistica sufficiente. Il primo capitolo riprende alcune nozioni preliminari e si espone il teorema di Radon-Nikodym, sulle misure assolutamente continue, con conseguente dimostrazione. Il secondo capitolo dal titolo ‘Applicazioni alla statistica sufficiente’ si apre con le definizioni degli oggetti di studio e con la presentazione di alcune loro proprietà matematiche. Nel secondo paragrafo si espongono i concetti di attesa condizionata e probabilità condizionata in relazione agli elementi definiti nel paragrafo iniziale. Si entra nel corpo di questo capitolo con il terzo paragrafo nel quale definiamo gli insiemi di misura, gli insiemi di misura dominati e il concetto di statistica sufficiente. Viene qua presentato un importante teorema di caratterizzazione delle statistiche sufficienti per insiemi dominati e un suo corollario che descrive la relativa proprietà di fattorizzazione. Definiamo poi gli insiemi omogenei ed esponiamo un secondo corollario al teorema, relativo a tali insiemi. Si considera poi l’esempio del controllo di qualità per meglio illustrare la nozione di statistica sufficiente osservando una situazione più concreta. Successivamente viene introdotta la nozione di statistica sufficiente a coppie e viene enunciato un secondo teorema di caratterizzazione in termini di rapporto di verosimiglianza. Si procede quindi ad un confronto tra questi due tipi di sufficienza. Tale confronto viene operato in due situazioni differenti e porta a risultati diversi per ogni caso. Si conclude dunque l’elaborato marcando ancora l’effettiva bontà di una statistica sufficiente in termini di informazioni contenute al suo interno.

Microwave breast imaging reconstruction

In this thesis I analyzed the microwave tomography method to recognize breast can- cer. I study how identify the dielectric permittivity, the Helmoltz equation parameter used to model the real physic problem. Through a non linear least squares method I solve a problem of parameters identification; I show the theoric approach and the devel- opment to reach the results. I use the Levenberg-Marquardt algorithm, applied on COMSOL software to multiphysic models; so I do numerical proofs on semplified test problems compared to the specific real problem to solve.

Ricostruzione di un data-set ad alta risoluzione (30 secondi d'arco) di temperature massime e minime giornaliere per un'area ad orografia complessa (Trentino Alto-Adige)

Dati climatici ad alta risoluzione sono attualmente molto richiesti essendo indispensabili per la valutazione degli impatti dei cambiamenti climatici alla scala locale in svariati campi d'applicazione. Per aumentare l'offerta di tali dati per il territorio italiano viene presentata in questo studio la realizzazione di un data-set con risoluzione di trenta secondi d'arco, per le temperature massime e minime giornaliere per il Trentino Alto Adige, per il periodo che va dal 1951 al 2014. La metodologia utilizzata per proiettare i dati meteorologici di un set di stazioni su di un grigliato ad alta risoluzione si basa sull'assunzione che la struttura spazio-temporale del campo di una variabile meteorologica su una determinata area possa essere descritta dalla sovrapposizione di due campi:i valori normali relativi e un periodo standard, ovvero la climatologia,e le deviazioni da questi, ovvero le anomalie. La climatologia mensile verrà interpolata sull'intero dominio tramite una regressione lineare pesata della temperatura rispetto alla quota,stimata separatamente per ogni nodo del grigliato,con pesi legati alla topografia del territorio,in modo da attribuire di volta in volta la massima importanza alle stazioni con caratteristiche più simili a quella del punto di griglia considerato. Da questa sarà possibile tramite la sovrapposizione con le anomalie mensili ricostruite sul medesimo grigliato, ottenute mediante un'interpolazione basata su una media pesata,ottenere un grigliato a 30 secondi d'arco, di serie temporali mensili in valori assoluti. Combinando poi l'interpolazione dei rapporti delle anomalie giornaliere relative alla media mensile per un set di stazioni con i campi mensili precedentemente stimati,sarà possibile costruire il data-set a risoluzione giornaliera. Prima di quest'ultima fase sarà necessario effettuare un'operazione di sincronizzazione dei dati giornalieri per assicurarsi che non vi siano sfasamenti nelle serie utilizzate. I risultati confermano l'efficacia nell'utilizzo di tale metodo su regioni orograficamente complesse, sia nel confronto diretto con i casi di studio,nei quali si nota bene la discriminazione spaziale effettuata dal modello, che nella valutazione dell'accuratezza e della precisione dei risultati. I dati ottenuti non sono affetti da errori sistematici,mentre l'errore medio assoluto risulta pari od inferiore ai $2^{\circ}$C, in linea con precedenti studi realizzati su altre aree alpine. Il metodo e i risultati risultano soddisfacenti ma ulteriormente migliorabili, sia tramite un ulteriore ottimizzazione del modello usato, che con un aumento nella qualità dei dati sui quali è stato svolto lo studio.

Ricostruzione densa di ambienti di grande dimensione

Uno dei principali settori di studio nell’ambito della visione artificiale riguarda lo sviluppo e la continua ricerca di tecniche e metodologie atte alla ricostruzione di ambienti 3D. Una di queste è il Kinect Fusion, la quale utilizza il dispositivo Kinect per catturare ed elaborare informazioni provenienti da mappe di profondità relative a una particolare scena, per creare un modello 3D dell’ambiente individuato dal sensore. Il funzionamento generale del sistema “Kinect Fusion” consiste nella ricostruzione di superfici dense attraverso l’integrazione delle informazioni di profondità dei vari frame all’interno di un cubo virtuale, che a sua volta viene partizionato in piccoli volumi denominati voxel, e che rappresenta il volume della scena che si intende ricostruire. Per ognuno di tali voxel viene memorizzata la distanza (TSDF) rispetto alla superficie più vicina. Durante lo svolgimento di questo lavoro di tesi ci si è concentrati innanzitutto nell’analisi dell’algoritmo Voxel Hashing, una tecnica che mira a rendere l'algoritmo Kinect Fusion scalabile, attraverso una migliore gestione della struttura dati dei voxel allocando questi ultimi all'interno di una tabella di hash solo se strettamente necessario (TSDF inferiore a una soglia). In una prima fase del progetto si è quindi studiato in dettaglio il funzionamento di suddetta tecnica, fino a giungere alla fase della sua implementazione all’interno di un framework di ricostruzione 3D, basato su Kinect Fusion; si è quindi reso il sistema realizzato più robusto tramite l’applicazione di diverse migliorie. In una fase successiva sono stati effettuati test quantitativi e qualitativi per valutarne l'efficienza e la robustezza. Nella parte finale del progetto sono stati delineati i possibili sviluppi di future applicazioni.

Ricostruzione 3D di oggetti ad alto potere diffusivo mediante triangolazione laser

L'obiettivo principale che questa tesi intende perseguire e la progettazione di un sistema di acquisizione 3D a basso costo basato sul metodo di triangolazione a lama laser. A tale scopo si adotterà una telecamera general-purpose, e si provvederà sia alla realizzazione di un prototipo di sistema di attuazione per automatizzare la scansione dell'oggetto, sia all'implementazione di algoritmi per la calibrazione della geometria laser-telecamera, il rilevamento del profilo laser nell'immagine e la sua successiva ricostruzione 3D, tenendo anche conto delle complicazioni che l'uso di oggetti ad alto potere diffusivo apporta a tale problema, a causa dei marcati effetti di subsurface scattering della luce laser. Il sistema di triangolazione sarà validato caratterizzando, mediante il confronto con pezzi di dimensioni note, la precisione e l'accuratezza delle misurazioni, e valutando i tempi di esecuzione degli algoritmi. Inoltre, le prestazioni ed i risultati delle acquisizioni saranno messi a confronto con quelli ottenuti adottando una telecamera high-end dedicata. Lo studio preliminare svolto in questa sede e propedeutico per la futura realizzazione di un sistema per la ricostruzione in camera bianca di protesi d'osso su misura.

Realizzazione di un sistema di ricostruzione 3D su piattaforma mobile.

Porting dell'esecuzione dell'algoritmo KinectFusion su piattaforma mobile (Android).

A prediction model for assessing residential radon concentration in Switzerland

Indoor radon is regularly measured in Switzerland. However, a nationwide model to predict residential radon levels has not been developed. The aim of this study was to develop a prediction model to assess indoor radon concentrations in Switzerland. The model was based on 44,631 measurements from the nationwide Swiss radon database collected between 1994 and 2004. Of these, 80% randomly selected measurements were used for model development and the remaining 20% for an independent model validation. A multivariable log-linear regression model was fitted and relevant predictors selected according to evidence from the literature, the adjusted R², the Akaike's information criterion (AIC), and the Bayesian information criterion (BIC). The prediction model was evaluated by calculating Spearman rank correlation between measured and predicted values. Additionally, the predicted values were categorised into three categories (50th, 50th-90th and 90th percentile) and compared with measured categories using a weighted Kappa statistic. The most relevant predictors for indoor radon levels were tectonic units and year of construction of the building, followed by soil texture, degree of urbanisation, floor of the building where the measurement was taken and housing type (P-values <0.001 for all). Mean predicted radon values (geometric mean) were 66 Bq/m³ (interquartile range 40-111 Bq/m³) in the lowest exposure category, 126 Bq/m³ (69-215 Bq/m³) in the medium category, and 219 Bq/m³ (108-427 Bq/m³) in the highest category. Spearman correlation between predictions and measurements was 0.45 (95%-CI: 0.44; 0.46) for the development dataset and 0.44 (95%-CI: 0.42; 0.46) for the validation dataset. Kappa coefficients were 0.31 for the development and 0.30 for the validation dataset, respectively. The model explained 20% overall variability (adjusted R²). In conclusion, this residential radon prediction model, based on a large number of measurements, was demonstrated to be robust through validation with an independent dataset. The model is appropriate for predicting radon level exposure of the Swiss population in epidemiological research. Nevertheless, some exposure misclassification and regression to the mean is unavoidable and should be taken into account in future applications of the model.

Uranium mining industry views on ICRP statement on radon

In 2009, the International Commission on Radiological Protection issued a statement on radon which stated that the dose conversion factor for radon progeny would likely double, and the calculation of risk from radon should move to a dosimetric approach, rather than the longstanding epidemiological approach. Through the World Nuclear Association, whose members represent over 90% of the world's uranium production, industry has been examining this issue with a goal of offering expertise and knowledge to assist with the practical implementation of these evolutionary changes to evaluating the risk from radon progeny. Industry supports the continuing use of the most current epidemiological data as a basis for risk calculation, but believes that further examination of these results is needed to better understand the level of conservatism in the potential epidemiological-based risk models. With regard to adoption of the dosimetric approach, industry believes that further work is needed before this is a practical option. In particular, this work should include a clear demonstration of the validation of the dosimetric model which includes how smoking is handled, the establishment of a practical measurement protocol, and the collection of relevant data for modern workplaces. Industry is actively working to address the latter two items.

Domestic radon exposure and risk of childhood cancer: a prospective census-based cohort study

Background: In contrast with established evidence linking high doses of ionizing radiation with childhood cancer, research on low-dose ionizing radiation and childhood cancer has produced inconsistent results. Objective: We investigated the association between domestic radon exposure and childhood cancers, particularly leukemia and central nervous system (CNS) tumors. Methods: We conducted a nationwide census-based cohort study including all children < 16 years of age living in Switzerland on 5 December 2000, the date of the 2000 census. Follow-up lasted until the date of diagnosis, death, emigration, a child’s 16th birthday, or 31 December 2008. Domestic radon levels were estimated for each individual home address using a model developed and validated based on approximately 45,000 measurements taken throughout Switzerland. Data were analyzed with Cox proportional hazard models adjusted for child age, child sex, birth order, parents’ socioeconomic status, environmental gamma radiation, and period effects. Results: In total, 997 childhood cancer cases were included in the study. Compared with children exposed to a radon concentration below the median (< 77.7 Bq/m3), adjusted hazard ratios for children with exposure ≥ the 90th percentile (≥ 139.9 Bq/m3) were 0.93 (95% CI: 0.74, 1.16) for all cancers, 0.95 (95% CI: 0.63, 1.43) for all leukemias, 0.90 (95% CI: 0.56, 1.43) for acute lymphoblastic leukemia, and 1.05 (95% CI: 0.68, 1.61) for CNS tumors. Conclusions: We did not find evidence that domestic radon exposure is associated with childhood cancer, despite relatively high radon levels in Switzerland.

Prediction of residential radon exposure of the whole Swiss population: comparison of model-based predictions with measurement-based predictions

Radon plays an important role for human exposure to natural sources of ionizing radiation. The aim of this article is to compare two approaches to estimate mean radon exposure in the Swiss population: model-based predictions at individual level and measurement-based predictions based on measurements aggregated at municipality level. A nationwide model was used to predict radon levels in each household and for each individual based on the corresponding tectonic unit, building age, building type, soil texture, degree of urbanization, and floor. Measurement-based predictions were carried out within a health impact assessment on residential radon and lung cancer. Mean measured radon levels were corrected for the average floor distribution and weighted with population size of each municipality. Model-based predictions yielded a mean radon exposure of the Swiss population of 84.1 Bq/m(3) . Measurement-based predictions yielded an average exposure of 78 Bq/m(3) . This study demonstrates that the model- and the measurement-based predictions provided similar results. The advantage of the measurement-based approach is its simplicity, which is sufficient for assessing exposure distribution in a population. The model-based approach allows predicting radon levels at specific sites, which is needed in an epidemiological study, and the results do not depend on how the measurement sites have been selected.

Net CO 2 surface emissions at Bern, Switzerland inferred from ambient observations of CO 2 , δ(O 2 /N 2 ), and 222 Rn using a customized radon tracer inversion

The 222Radon tracer method is a powerful tool to estimate local and regional surface emissions of, e.g., greenhouse gases. In this paper we demonstrate that in practice, the method as it is commonly used, produces inaccurate results in case of nonhomogeneously spread emission sources, and we propose a different approach to account for this. We have applied the new methodology to ambient observations of CO2 and 222Radon to estimate CO2 surface emissions for the city of Bern, Switzerland. Furthermore, by utilizing combined measurements of CO2 and δ(O2/N2) we obtain valuable information about the spatial and temporal variability of the main emission sources. Mean net CO2 emissions based on 2 years of observations are estimated at (11.2 ± 2.9) kt km−2 a−1. Oxidative ratios indicate a significant influence from the regional biosphere in summer/spring and fossil fuel combustion processes in winter/autumn. Our data indicate that the emissions from fossil fuels are, to a large degree, related to the combustion of natural gas which is used for heating purposes.

A Study of Radon in Air and Water in Maine Schools

The transfer coefficient of radon from water to air was investigated in schools. Kitchens, bathrooms and locker rooms were studied for seven schools in Maine. Simulations were done in water-use rooms where radon in air detectors were in place. Quantities measured were radon in water (270-24500 F) and air (0-80 q), volume of water used, emissivities (0.01-0.99) and ventilation rates (0.012-0.066A). Variation throughout the room of the radon concentration was found. Values calculated for the transfer coefficient for kitchens and baths were ranged from 9.6 x to 2.0 x The transfer coefficient was calculated using these parameters and was also measured using concentrations of radon in water and air. This provides a means by which radon in air can be estimated using the transfer coefficient and the concentration in the water in other schools and it can be used to estimate the dose caused by radon released from water use. This project was partially funded by the United States Environmental Protection Agency (grant #X828l2 101-0) and by the State of Maine (grant #10A500178). These are the first measurements of this type to be done in schools in the United States.

Maternal ingestion of radon-222 in drinking water and the absorbed radiation dose to the embryo

Maternal ingestion of high concentrations of radon-222 (Rn-222) in drinking during pregnancy may pose a significant radiation hazard to the developing embryo. The effects of ionizing radiation to the embryo and fetus have been the subject of research, analyses, and the development of a number of radiation dosimetric models for a variety of radionuclides. Currently, essentially all of the biokinetic and dosimetric models that have been developed by national and international radiation protection agencies and organizations recommend calculating the dose to the mother's uterus as a surrogate for estimating the dose to the embryo. Heretofore, the traditional radiation dosimetry models have neither considered the embryo a distinct and rapidly developing entity, the fact that it is implanted in the endometrial layer of the uterus, nor the physiological interchanges that take place between maternal and embryonic cells following the implantation of the blastocyst in the endometrium. The purpose of this research was to propose a new approach and mathematical model for calculating the absorbed radiation dose to the embryo by utilizing a semiclassical treatment of alpha particle decay and subsequent scattering of energy deposition in uterine and embryonic tissue. The new approach and model were compared and contrasted with the currently recommended biokinetic and dosimetric models for estimating the radiation dose to the embryo. The results obtained in this research demonstrate that the estimated absorbed dose for an embryo implanted in the endometrial layer of the uterus during the fifth week of embryonic development is greater than the estimated absorbed dose for an embryo implanted in the uterine muscle on the last day of the eighth week of gestation. This research provides compelling evidence that the recommended methodologies and dosimetric models of the Nuclear Regulatory Commission and International Commission on Radiological Protection employed for calculating the radiation dose to the embryo from maternal intakes of radionuclides, including maternal ingestion of Rn-222 in drinking water would result in an underestimation of dose. ^