Evaluation of a cloud infrastructure for the CMS distributed data analysis in the top quark sector at the LHC

Nella fisica delle particelle, onde poter effettuare analisi dati, è necessario disporre di una grande capacità di calcolo e di storage. LHC Computing Grid è una infrastruttura di calcolo su scala globale e al tempo stesso un insieme di servizi, sviluppati da una grande comunità di fisici e informatici, distribuita in centri di calcolo sparsi in tutto il mondo. Questa infrastruttura ha dimostrato il suo valore per quanto riguarda l'analisi dei dati raccolti durante il Run-1 di LHC, svolgendo un ruolo fondamentale nella scoperta del bosone di Higgs. Oggi il Cloud computing sta emergendo come un nuovo paradigma di calcolo per accedere a grandi quantità di risorse condivise da numerose comunità scientifiche. Date le specifiche tecniche necessarie per il Run-2 (e successivi) di LHC, la comunità scientifica è interessata a contribuire allo sviluppo di tecnologie Cloud e verificare se queste possano fornire un approccio complementare, oppure anche costituire una valida alternativa, alle soluzioni tecnologiche esistenti. Lo scopo di questa tesi è di testare un'infrastruttura Cloud e confrontare le sue prestazioni alla LHC Computing Grid. Il Capitolo 1 contiene un resoconto generale del Modello Standard. Nel Capitolo 2 si descrive l'acceleratore LHC e gli esperimenti che operano a tale acceleratore, con particolare attenzione all’esperimento CMS. Nel Capitolo 3 viene trattato il Computing nella fisica delle alte energie e vengono esaminati i paradigmi Grid e Cloud. Il Capitolo 4, ultimo del presente elaborato, riporta i risultati del mio lavoro inerente l'analisi comparata delle prestazioni di Grid e Cloud.

Performance studies of the CMS distributed analysis system in the associated Higgs boson production with top quarks

L'obiettivo di questa tesi è studiare la fattibilità dello studio della produzione associata ttH del bosone di Higgs con due quark top nell'esperimento CMS, e valutare le funzionalità e le caratteristiche della prossima generazione di toolkit per l'analisi distribuita a CMS (CRAB versione 3) per effettuare tale analisi. Nel settore della fisica del quark top, la produzione ttH è particolarmente interessante, soprattutto perchè rappresenta l'unica opportunità di studiare direttamente il vertice t-H senza dover fare assunzioni riguardanti possibili contributi dalla fisica oltre il Modello Standard. La preparazione per questa analisi è cruciale in questo momento, prima dell'inizio del Run-2 dell'LHC nel 2015. Per essere preparati a tale studio, le implicazioni tecniche di effettuare un'analisi completa in un ambito di calcolo distribuito come la Grid non dovrebbero essere sottovalutate. Per questo motivo, vengono presentati e discussi un'analisi dello stesso strumento CRAB3 (disponibile adesso in versione di pre-produzione) e un confronto diretto di prestazioni con CRAB2. Saranno raccolti e documentati inoltre suggerimenti e consigli per un team di analisi che sarà eventualmente coinvolto in questo studio. Nel Capitolo 1 è introdotta la fisica delle alte energie a LHC nell'esperimento CMS. Il Capitolo 2 discute il modello di calcolo di CMS e il sistema di analisi distribuita della Grid. Nel Capitolo 3 viene brevemente presentata la fisica del quark top e del bosone di Higgs. Il Capitolo 4 è dedicato alla preparazione dell'analisi dal punto di vista degli strumenti della Grid (CRAB3 vs CRAB2). Nel capitolo 5 è presentato e discusso uno studio di fattibilità per un'analisi del canale ttH in termini di efficienza di selezione.

Meccanismi di produzione dell'energia in astrofisica

L’elaborato si propone di trattare i principali meccanismi di produzione dell’energia studiati in ambito astrofisico. L’ambiente di lavoro `e molto vasto e spazia dal “microscopico”, come le reazioni termonucleari, al “macroscopico”, come le contrazioni termodinamiche, le Supernovae, e i dischi di accrescimento. Non essendo possibile trattare tutti i meccanismi esistenti sono stati tralasciati i processi di conversione di energia, come ad esempio l’emissione di Sincrotrone, la Bremsstrahlung e l’effetto Compton Inverso, pur tenendo presente che, visti dall’esterno del sistema dove essi si verificano, tali processi possono essere considerati meccanismi che producono fotoni a spese dell’energia interna del sistema. Data la brevità del testo ci limiteremo ad affrontare solo i meccanismi relativi agli interni stellari, tralasciando per`o lo stadio finale di Supernovae. Una completa impostazione del problema richiederebbe la derivazione formale delle Equazioni fondamentali degli interni stellari che costituiscono l’insieme completo delle equazioni che governano la struttura interna delle stelle, il modo in cui l’energia viene trasportata dal core alla superficie, l’opacità e i tassi di produzione di energia. Si assume tale derivazione come già affrontata, riferendosi alle parti dei testi [5] e [6] in bibliografia che trattano questi argomenti.

Impatto dell'invecchiamento delle camere DT di CMS sul canale H->4mu

Nei prossimi anni sia il Large Hadron Collider al CERN che i relativi esperimenti saranno oggetto di programmi di upgrade. Per i rivelatori una delle motivazioni dell’upgrade è l’invecchiamento che inevitabilmente ne peggiorerebbe le prestazioni in mancanza di interventi. Si sono studiati gli effetti dell’invecchiamentO del rivelatore di muoni a grande angolo di CMS sulla ricostruzione di eventi H→ 4μ: un canale centrale nel programma futuro di fisica delle alte energie e la cui identificazione è affidata essenzialmente al rivelatore di muoni. Benchè la ridondanza, insita nel progetto del rivelatore, riduca l’impatto dell’inefficienza locale sui risultati finali, si è osservato dalla simulazione che, mentre il 30% di hit persi si traduce nella perdita dell’8% di eventi H→4μ, il 30% di camere non funzionanti causa un perdita di eventi che può arrivare al 27%. Poichè la disattivazione di un’intera camera può essere l’effetto del danneggiamento dell’elettronica di lettura, la quale è attualmente situata nella caverna sperimentale ed esposta quindi alle radiazioni, questi risultati potrebbero indicare la necessità di prevedere nel programma di upgrade la sostituzione dell’elettronica con nuovi dispositivi da collocarsi fuori della caverna, al riparo dalle radiazioni.

Inflazione cosmologica R^2

Lo scopo di questa tesi è illustrare il paradigma dell’inflazione cosmologica descrivendo in particolare la teoria dell’inflazione R^2. In una prima sezione si fa riferimento al contesto della relatività generale per descrivere l’universo su larga scala. Vengono prese in esame le ipotesi utilizzate per ottenere il modello standard della cosmologia e le principali proprietà che da esso possono essere ricavate. Si focalizza quindi l’analisi sulla descrizione dell’universo primordiale da cui traggono origine le ipotesi dell’esistenza dell’epoca inflazionaria esponendo, in particolare, come questa teoria riesca a risolvere i problemi della piattezza e dell’orizzonte cosmologico. Viene poi descritto come la fase di espansione esponenziale richiesta da queste ipotesi possa essere generata dalla presenza di un campo scalare φ specifico. Particolare risalto è dato alla descrizione dell’approssimazione di ”slow-roll” ed ai vincoli sul numero di ”e-folding”. Una seconda sezione mostra l’applicazione dell’analisi generale esposta in precedenza al modello di inflazione di Starobinsky. A tal fine sono descritte le caratteristiche delle teorie della gravità f(R) con particolare attenzione alle trasformazioni conformi e scelta del frame. Attraverso l’esposizione delle equazioni di campo cosmologiche nella teoria della gravità R^2 si mostra come il processo di espansione inflazionaria dell’universo nelle sue fasi iniziali possa essere descritto da un comportamento non standard della gravità ad alte energie. Sono riportati i risultati principali ottenuti con questa teoria nel frame di Jordan e in quello di Einstein. La conclusione descrive in sintesi lo stato attuale delle osservazioni sperimentali e come queste abbiano un legame stretto con la teoria delle perturbazioni cosmologiche. In particolare, presentando i risultati ottenuti nel contesto dell’inflazione R^2 ed esponendo gli ultimi dati raccolti dall’esperimento Planck, si analizza come il modello sia in accordo con i dati sperimentali attualmente disponibili.

Caratteristiche principali dell'emissione di galassie ellittiche

In questo elaborato mi accingerò ad illustrare una concisa classificazione e descrizione della struttura delle galassie ellittiche. In seguito verranno trattati in modo più specifico i meccanismi alla base dell'emissione di questa classe di galassie, quali: corpo nero, breamsstrahlung, sincrotrone e Compton inverso.

Studio di un rivelatore per neutroni di alta energia

Guidata dall'interesse per lo studio della fissione nucleare, per molto tempo la ricerca nel campo dei neutroni si è concentrata su energie medio-basse (E<20 MeV) mentre per la regione a più alte energie le informazioni risultavano scarse o mancanti. Recentemente, invece, si è sviluppato un nuovo interesse per i Neutroni di Alta Energia, utilizzabili nelle terapie mediche per la cura di tumori, e di grande importanza per la radioprotezione e la trasmutazione delle scorie radioattive derivanti da produzione di energia nucleare. Queste applicazioni richiedono precisi fasci di neutroni quasi-monoenergetici, con energie dai 20 a qualche centinaia di MeV, servono perciò misurazioni intese a determinare le caratteristiche del fascio e atte a ottenere valori precisi della sezione d'urto relativa ai processi innescati da neutroni veloci. La sezione d'urto di un certo processo nucleare si deduce dalla misura del numero di eventi acquisiti per unità di tempo da un rivelatore, conoscendo l'efficienza di questo, l'intensità del fascio che incide nel bersaglio e le caratteristiche del target. Diventa, quindi, determinante la conoscenza dell'intensità del fascio dei neutroni, anche nel caso di un intervallo energetico ampio, come quello prodotto al CERN dalla facility n_TOF, che possiede energie che vanno dal meV al GeV. Sulla base di queste motivazioni, in questo lavoro di tesi, si vuole proporre un prototipo semplice di rivelatore per Neutroni di Alta Energia e si presenta uno studio preliminare del primo test sotto fascio, focalizzando l'attenzione sulla massima energia misurabile.

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.

Studio multi-banda dal sub-parsec al kilo-parsec dell'emissione del getto nella radio galassia IC 1531

In questo lavoro di tesi si presenta il primo studio multi-scala e multi-frequenza focalizzato sul getto della radiogalassia IC1531 (z=0.026) con i satelliti Chandra, XMM-Newton e Fermi con l’obiettivo di tracciarne l’emissione alle alte energie; definire i processi radiativi responsabili dell’emissione osservata e stimare i principali parametri fisici del getto; stimare l’energetica del getto alle diverse scale. La sorgente è stata selezionata per la presenza di un getto esteso (≈5’’) osservato in radio e ai raggi X, inoltre, era riportata come possibile controparte della sorgente gamma 3FGLJ0009.6-3211 presente nel terzo catalogo Fermi (3FGL). La presenza di emissione ai raggi γ, confermata dal nostro studio, è importante per la modellizzazione della SED della regione nucleare. L’emissione X del nucleo è dominata da una componente ben riprodotta da una legge di potenza con indice spettrale Γ=2.2. L’analisi dell’emissione in banda gamma ha evidenziato una variabilità su scale di 5 giorni, dalla quale è stato possibile stimare le dimensioni delle regione emittente. Inoltre viene presentato lo studio della distribuzione spettrale dell’energia della regione nucleare di IC 1531 dalla banda radio ai raggi γ. I modelli ci permettono di determinare la natura dell’emissione gamma e stimare la potenza cinetica del getto a scale del su-pc. Gli osservabili sono stati utilizzati per ottenere le stime sui parametri del modello. La modellizzazione così ottenuta ha permesso di stimare i parametri fisici del getto e la potenza trasportata del getto a scale del sub-pc. Le stime a 151MHz suggerisco che il getto abbia basse velocita' (Γ≤7) e angolo di inclinazione rispetto alla linea di vista 10°<ϑ<20°; nel complesso, il trasporto di energia da parte del getto risulta efficiente. L’origine dell’emissione X del getto a grandi scale è consistente con un’emissione di sincrotrone, che conferma la classificazione di IC1531 come sorgente di bassa potenza MAGN.

Real-time anomaly detection of gamma-ray bursts for the Cherenkov Telescope Array using deep learning

The Cherenkov Telescope Array (CTA) will be the next-generation ground-based observatory to study the universe in the very-high-energy domain. The observatory will rely on a Science Alert Generation (SAG) system to analyze the real-time data from the telescopes and generate science alerts. The SAG system will play a crucial role in the search and follow-up of transients from external alerts, enabling multi-wavelength and multi-messenger collaborations. It will maximize the potential for the detection of the rarest phenomena, such as gamma-ray bursts (GRBs), which are the science case for this study. This study presents an anomaly detection method based on deep learning for detecting gamma-ray burst events in real-time. The performance of the proposed method is evaluated and compared against the Li&Ma standard technique in two use cases of serendipitous discoveries and follow-up observations, using short exposure times. The method shows promising results in detecting GRBs and is flexible enough to allow real-time search for transient events on multiple time scales. The method does not assume background nor source models and doe not require a minimum number of photon counts to perform analysis, making it well-suited for real-time analysis. Future improvements involve further tests, relaxing some of the assumptions made in this study as well as post-trials correction of the detection significance. Moreover, the ability to detect other transient classes in different scenarios must be investigated for completeness. The system can be integrated within the SAG system of CTA and deployed on the onsite computing clusters. This would provide valuable insights into the method's performance in a real-world setting and be another valuable tool for discovering new transient events in real-time. Overall, this study makes a significant contribution to the field of astrophysics by demonstrating the effectiveness of deep learning-based anomaly detection techniques for real-time source detection in gamma-ray astronomy.

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.

Ottimizzazione della selezione dei decadimenti Λ 0 b → pK− e Λ 0 b → pπ− per la misura delle asimmetrie di CP

In questa tesi è presentato il lavoro svolto per ottimizzare le selezioni dei decadimenti Λ 0 b → pK− e Λ 0 b → pπ− al fine di misurarne le asimmetrie di CP. Il campione di dati utilizzato corrisponde ad una luminosità integrata di 6 fb−1, raccolto dall'esperimento LHCb in collisioni protone-protone ad un'energia nel centro di massa di 13 TeV. L'ottimizzazione della selezione è di fondamentale importanza nello studio di questi decadimenti, per ottenere la minor incertezza statistica possibile sulle asimmetrie misurate. Il lavoro svolto in questa tesi ha portato ad avere incertezze statistiche sulle singole asimmetrie di CP pari a: σ(A pK CP ) = 0.76%, σ(A pπ CP) = 0.95%, che risultano essere minori di circa un fattore due rispetto ai risultati già pubblicati dalla Collaborazione LHCb. Il lavoro svolto in questa tesi sarà parte della pubblicazione dei risultati ottenuti su rivista internazionale, prevista per il 2023

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.

Development of a heterogeneous clustering algorithm for particle shower reconstruction in high energy physics using the SYCL abstraction layer

Nei prossimi anni è atteso un aggiornamento sostanziale di LHC, che prevede di aumentare la luminosità integrata di un fattore 10 rispetto a quella attuale. Tale parametro è proporzionale al numero di collisioni per unità di tempo. Per questo, le risorse computazionali necessarie a tutti i livelli della ricostruzione cresceranno notevolmente. Dunque, la collaborazione CMS ha cominciato già da alcuni anni ad esplorare le possibilità offerte dal calcolo eterogeneo, ovvero la pratica di distribuire la computazione tra CPU e altri acceleratori dedicati, come ad esempio schede grafiche (GPU). Una delle difficoltà di questo approccio è la necessità di scrivere, validare e mantenere codice diverso per ogni dispositivo su cui dovrà essere eseguito. Questa tesi presenta la possibilità di usare SYCL per tradurre codice per la ricostruzione di eventi in modo che sia eseguibile ed efficiente su diversi dispositivi senza modifiche sostanziali. SYCL è un livello di astrazione per il calcolo eterogeneo, che rispetta lo standard ISO C++. Questo studio si concentra sul porting di un algoritmo di clustering dei depositi di energia calorimetrici, CLUE, usando oneAPI, l'implementazione SYCL supportata da Intel. Inizialmente, è stato tradotto l'algoritmo nella sua versione standalone, principalmente per prendere familiarità con SYCL e per la comodità di confronto delle performance con le versioni già esistenti. In questo caso, le prestazioni sono molto simili a quelle di codice CUDA nativo, a parità di hardware. Per validare la fisica, l'algoritmo è stato integrato all'interno di una versione ridotta del framework usato da CMS per la ricostruzione. I risultati fisici sono identici alle altre implementazioni mentre, dal punto di vista delle prestazioni computazionali, in alcuni casi, SYCL produce codice più veloce di altri livelli di astrazione adottati da CMS, presentandosi dunque come una possibilità interessante per il futuro del calcolo eterogeneo nella fisica delle alte energie.

Processi di scattering in astrofisica

Lo scattering è un processo fisico che descrive le interazioni tra particelle e radiazione elettromagnetica. Esistono diversi tipi di scattering, dove la natura di questi processi dipende dall'energia della particella e della radiazione. Quando l'elettrone fermo subisce un urto elastico con un fotone di bassa energia si ha lo \emph{scattering Thomson}. In questo processo l'onda elettromagnetica accelera la particella; successivamente dopo l'urto l'onda viene diffusa con la stessa frequenza iniziale. Questo processo accade a basse energie poichè ad energie più alte prevale l'effetto dovuto allo \emph{scattering Compton}. In questo meccanismo un fotone interagisce con un elettrone cedendogli energia e in particolare si ha una variazione di frequenza per il fotone. Quando è l'elettrone a trasferire al fotone parte della sua energia si ha \emph{Inverse Compton}. Gli ultimi due processi in realtà sono situazioni limite di un caso più generale chiamato \emph{Comptonizzazione}. Considerando un plasma rarefatto di fotoni ed elettroni, la Comptonizzazione stabilisce come l'evoluzione dello spettro viene modificato a causa dell'interazione tra fotoni ed elettroni. Nel secondo capitolo di questo elaborato verrà esaminata l'emissione in banda X della radiazione elettromagnetica in seguito a fenomeni di accrescimento intorno a buchi neri; nello specifico si analizzerà l'emissione soft e hard per buchi neri galattici.