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 idrogeologico per la progettazione e l'esecuzione di un tracciamento multiplo dell'acquifero carsico del Massiccio del Cansiglio-Monte Cavallo (alta valle Livenza, Pordenone)

Il Massiccio del Cansiglio-Monte Cavallo costituisce uno dei maggiori complessi carsici italiani; con questo lavoro si cerca di fornirne una caratterizzazione idrogeologica sulla quale poter basare una futura prova di tracciamento multiplo, al fine di definirne con precisione la configurazione interna. Lo studio è incentrato sul monitoraggio in continuo di portate, temperature e conducibilità elettrica compensata a 25 °C delle tre sorgenti maggiori del fiume Livenza, che sgorgano alla base del Massiccio, e su un monitoraggio idrochimico discontinuo di nove sorgenti (tra cui figurano anche le tre principali) e di quattro grotte rappresentanti le aree di infiltrazione concentrata. L’enorme volume d’acqua contenuto in questo grande acquifero carsico sembra riversarsi quasi completamente nelle aree sorgive situate al margine occidentale della pianura friulana, che cinge il lato orientale del Massiccio. In linea generale, queste acque, tipicamente carbonatiche, non hanno tempi di residenza lunghi all’interno del bacino di provenienza e fluiscono con portate elevate (> 1 m3/s) da ognuna delle tre sorgenti maggiori; nel periodo estivo (luglio-agosto) si registra una fase di svuotamento, assai accentuata al Gorgazzo, sorgente, tra le tre, posta più a nord. Molinetto, situata più a sud, pare differenziarsi maggiormente dalle altre due grandi sorgenti, Santissima e Gorgazzo, mentre le sorgenti minori sembrano, al di là di alcune caratteristiche peculiari, abbastanza simili tra loro. In particolare, il Molinetto mostra, in risposta agli eventi meteorici intensi, un incremento di portata meno netto, accompagnato da un evidente fenomeno di pistonaggio, almeno durante il periodo di morbida. Al contrario, il Gorgazzo risponde immediatamente alle forti precipitazioni piovose e le acque di pioggia viaggiano rapidamente dalla zona di infiltrazione alla sorgente stessa. La Santissima, sorgente con valori medi di portata maggiori e valori di conducibilità elettrica e temperatura mediamente inferiori alle altre, sembra dipendere da un sistema con caratteristiche intermedie tra quelle delle due sorgenti adiacenti. Emerge la complessità di questo vasto sistema carsico che sembra mostrare un grado di carsificazione in aumento da sud-ovest a nord-est. Sulla base dei dati raccolti si suppone che al suo interno possano svilupparsi due sottosistemi: il primo sembra che riversi la sua riserva idrica nelle sorgenti Molinetto e Santissima, il secondo accomuna invece la Santissima con il Gorgazzo, il quale ne costituisce un “troppo pieno”.

Studio mineralogico e chimico della serie della "Vena del Gesso" della cava di Monte Tondo (Borgo Rivola, Riolo Terme - RA)

Questo elaborato consiste nello studio mineralogico e chimico di una parte della successione della Vena del Gesso, coincidente con il sito estrattivo di Monte Tondo. Oltre all'inquadramento geologico della zona oggetto di studio e alcuni accenni sulle attività della cava, il presente elaborato contiene tabelle con le analisi di fluorescenza XRF per tutti i campioni prelevati, grafici dello spettro XRD per due campioni, completi di tabelle con i valori in allegato, diagrammi di correlazione per alcuni elementi, una analisi termogravimetrica ed una termodifferenziale, e i grafici con le rette di regressione per gli elementi maggiori e in tracce, con l'esclusione di certi elementi che hanno dato concentrazioni sotto il limite di rilevabilità.

Monte Carlo dose calculation improvements for low energy electron beams using eMC

The electron Monte Carlo (eMC) dose calculation algorithm in Eclipse (Varian Medical Systems) is based on the macro MC method and is able to predict dose distributions for high energy electron beams with high accuracy. However, there are limitations for low energy electron beams. This work aims to improve the accuracy of the dose calculation using eMC for 4 and 6 MeV electron beams of Varian linear accelerators. Improvements implemented into the eMC include (1) improved determination of the initial electron energy spectrum by increased resolution of mono-energetic depth dose curves used during beam configuration; (2) inclusion of all the scrapers of the applicator in the beam model; (3) reduction of the maximum size of the sphere to be selected within the macro MC transport when the energy of the incident electron is below certain thresholds. The impact of these changes in eMC is investigated by comparing calculated dose distributions for 4 and 6 MeV electron beams at source to surface distance (SSD) of 100 and 110 cm with applicators ranging from 6 x 6 to 25 x 25 cm(2) of a Varian Clinac 2300C/D with the corresponding measurements. Dose differences between calculated and measured absolute depth dose curves are reduced from 6% to less than 1.5% for both energies and all applicators considered at SSD of 100 cm. Using the original eMC implementation, absolute dose profiles at depths of 1 cm, d(max) and R50 in water lead to dose differences of up to 8% for applicators larger than 15 x 15 cm(2) at SSD 100 cm. Those differences are now reduced to less than 2% for all dose profiles investigated when the improved version of eMC is used. At SSD of 110 cm the dose difference for the original eMC version is even more pronounced and can be larger than 10%. Those differences are reduced to within 2% or 2 mm with the improved version of eMC. In this work several enhancements were made in the eMC algorithm leading to significant improvements in the accuracy of the dose calculation for 4 and 6 MeV electron beams of Varian linear accelerators.

Comparison of monte carlo collimator transport methods for photon treatment planning in radiotherapy

The aim of this work was a Monte Carlo (MC) based investigation of the impact of different radiation transport methods in collimators of a linear accelerator on photon beam characteristics, dose distributions, and efficiency. Thereby it is investigated if it is possible to use different simplifications in the radiation transport for some clinical situations in order to save calculation time.

Monte Carlo Dose Calculation on Deforming Anatomy

This article presents the implementation and validation of a dose calculation approach for deforming anatomical objects. Deformation is represented by deformation vector fields leading to deformed voxel grids representing the different deformation scenarios. Particle transport in the resulting deformed voxels is handled through the approximation of voxel surfaces by triangles in the geometry implementation of the Swiss Monte Carlo Plan framework. The focus lies on the validation methodology which uses computational phantoms representing the same physical object through regular and irregular voxel grids. These phantoms are chosen such that the new implementation for a deformed voxel grid can be compared directly with an established dose calculation algorithm for regular grids. Furthermore, separate validation of the aspects voxel geometry and the density changes resulting from deformation is achieved through suitable design of the validation phantom. We show that equivalent results are obtained with the proposed method and that no statistically significant errors are introduced through the implementation for irregular voxel geometries. This enables the use of the presented and validated implementation for further investigations of dose calculation on deforming anatomy.

Monte Carlo implementation, validation, and characterization of a 120 leaf MLC

Recently, the new high definition multileaf collimator (HD120 MLC) was commercialized by Varian Medical Systems providing high resolution in the center section of the treatment field. The aim of this work is to investigate the characteristics of the HD120 MLC using Monte Carlo (MC) methods.

Validation of the Swiss Monte Carlo Plan for a static and dynamic 6 MV photon beam

Monte Carlo (MC) based dose calculations can compute dose distributions with an accuracy surpassing that of conventional algorithms used in radiotherapy, especially in regions of tissue inhomogeneities and surface discontinuities. The Swiss Monte Carlo Plan (SMCP) is a GUI-based framework for photon MC treatment planning (MCTP) interfaced to the Eclipse treatment planning system (TPS). As for any dose calculation algorithm, also the MCTP needs to be commissioned and validated before using the algorithm for clinical cases. Aim of this study is the investigation of a 6 MV beam for clinical situations within the framework of the SMCP. In this respect, all parts i.e. open fields and all the clinically available beam modifiers have to be configured so that the calculated dose distributions match the corresponding measurements. Dose distributions for the 6 MV beam were simulated in a water phantom using a phase space source above the beam modifiers. The VMC++ code was used for the radiation transport through the beam modifiers (jaws, wedges, block and multileaf collimator (MLC)) as well as for the calculation of the dose distributions within the phantom. The voxel size of the dose distributions was 2mm in all directions. The statistical uncertainty of the calculated dose distributions was below 0.4%. Simulated depth dose curves and dose profiles in terms of [Gy/MU] for static and dynamic fields were compared with the corresponding measurements using dose difference and γ analysis. For the dose difference criterion of ±1% of D(max) and the distance to agreement criterion of ±1 mm, the γ analysis showed an excellent agreement between measurements and simulations for all static open and MLC fields. The tuning of the density and the thickness for all hard wedges lead to an agreement with the corresponding measurements within 1% or 1mm. Similar results have been achieved for the block. For the validation of the tuned hard wedges, a very good agreement between calculated and measured dose distributions was achieved using a 1%/1mm criteria for the γ analysis. The calculated dose distributions of the enhanced dynamic wedges (10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 45° and 60°) met the criteria of 1%/1mm when compared with the measurements for all situations considered. For the IMRT fields all compared measured dose values agreed with the calculated dose values within a 2% dose difference or within 1 mm distance. The SMCP has been successfully validated for a static and dynamic 6 MV photon beam, thus resulting in accurate dose calculations suitable for applications in clinical cases.

Generalized eMC implementation for Monte Carlo dose calculation of electron beams from different machine types

The electron Monte Carlo (eMC) dose calculation algorithm available in the Eclipse treatment planning system (Varian Medical Systems) is based on the macro MC method and uses a beam model applicable to Varian linear accelerators. This leads to limitations in accuracy if eMC is applied to non-Varian machines. In this work eMC is generalized to also allow accurate dose calculations for electron beams from Elekta and Siemens accelerators. First, changes made in the previous study to use eMC for low electron beam energies of Varian accelerators are applied. Then, a generalized beam model is developed using a main electron source and a main photon source representing electrons and photons from the scattering foil, respectively, an edge source of electrons, a transmission source of photons and a line source of electrons and photons representing the particles from the scrapers or inserts and head scatter radiation. Regarding the macro MC dose calculation algorithm, the transport code of the secondary particles is improved. The macro MC dose calculations are validated with corresponding dose calculations using EGSnrc in homogeneous and inhomogeneous phantoms. The validation of the generalized eMC is carried out by comparing calculated and measured dose distributions in water for Varian, Elekta and Siemens machines for a variety of beam energies, applicator sizes and SSDs. The comparisons are performed in units of cGy per MU. Overall, a general agreement between calculated and measured dose distributions for all machine types and all combinations of parameters investigated is found to be within 2% or 2 mm. The results of the dose comparisons suggest that the generalized eMC is now suitable to calculate dose distributions for Varian, Elekta and Siemens linear accelerators with sufficient accuracy in the range of the investigated combinations of beam energies, applicator sizes and SSDs.