Reconstruction of CNGS neutrino events in the emulsions of the OPERA experiment

The OPERA experiment aims at the direct observation of ν_mu -> ν_tau oscillations in the CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) neutrino beam produced at CERN; since the ν_e contamination in the CNGS beam is low, OPERA will also be able to study the sub-dominant oscillation channel ν_mu -> ν_e. OPERA is a large scale hybrid apparatus divided in two supermodules, each equipped with electronic detectors, an iron spectrometer and a highly segmented ~0.7 kton target section made of Emulsion Cloud Chamber (ECC) units. During my research work in the Bologna Lab. I have taken part to the set-up of the automatic scanning microscopes studying and tuning the scanning system performances and efficiencies with emulsions exposed to a test beam at CERN in 2007. Once the triggered bricks were distributed to the collaboration laboratories, my work was centered on the procedure used for the localization and the reconstruction of neutrino events.

Die Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Suche nach kosmischen Neutrino-Punktquellen mit dem AMANDA-Neutrinoteleskop

Die Suche nach kosmischen Neutrinopunktquellen ist durch dieFrage motiviert, wo die hochenergetische Kosmische Strahlungim Universum entsteht. Wenn dort Hadronen beschleunigtwerden, sollten Mesonen produziert werden und daraushochenergetische Neutrinos entstehen. Diese können nahezuungestört die Erde erreichen. Die Identifikation einerNeutrinopunktquelle ist eines der zentralen Ziele desAMANDA-Neutrinoteleskopes am geographischen Südpol. In dieser Dissertation wird zunächst gezeigt, wie dieWinkelauflösung für jedes einzelne Neutrinoereignisindividuell bestimmt werden kann. Zudem stellt sich derWinkelfehlerschätzer als guter Qualitätsparameter zurUnterdrückung von Untergrundereignissen heraus. Die bisher zur Punktquellensuche verwendete Suchmethode kanndiese zusätzliche Information nicht verwenden, da es sich umein reines Zählverfahren handelt. Dadurch motiviert wird einneues Verfahren entwickelt, das auf der Methode der MaximumLikelihood basiert. Darin wird die Winkelauflösung für jedesEreignis in natürlicher Art und Weise integriert. Die erreichte Sensitivität der Maximum-Likelihood-Methodevon bar{Phi}_nu^90 approx 2cdot 10^-8 cm^-2 s^-1 istvergleichbar mit derjenigen der bisherigen Vorgehensweise.Die Ortsauflösung, mit der die Position eineridentifizierten Quelle bestimmt wird, ist um den Faktor ca.4 verbessert, und liegt bei etwa einem Grad. Ebenfalls neu ist der Wegfall von künstlichen Suchgittern,mit denen der Himmel bei der Suche nach Quellen unbekannterLage bisher eingeteilt worden ist. Stattdessen werdenkontinuierliche Funktionen der Himmelskoordinaten studiert. Die im Jahr 2000 aufgezeichneten Daten wurden einer Suchenach Neutrinopunktquellen unterzogen. Wie schon bei einervorherigen Suche mit der alten Vorgehensweis konnte keineQuelle identifiziert werden. Für die 30 untersuchtenKandidatenobjekte ergeben sich obere Grenzen in der Nähe derSensitivität. Das entwickelte Verfahren ist problemlos auf jedesExperiment übertragbar, das ein Entdeckungspotenzial fürPunktquellen hat.

Aufbau des GDH-Experiments und Messung der Helizitätsabhängigkeit von gamma p p pi + pi- von der Schwelle bis 800 MeV

Das Experiment zur Überprüfung der Gerasimov-Drell-Hearn(GDH)-Summenregel am Mainzer Mikrotron diente zur Messunghelizitätsabhängiger Eigenschaften der Photoproduktion amProton. Hierbei konnten neben den totalen Photoabsorptionswirkungsquerschnitten auch Querschnitte partieller Kanäle der Einpion-, Zweipion- und Eta-Produktion bestimmt werden. Für die möglichen Doppel-Pion-Reaktionen sind zur Zeit nur wenig Information vorhanden. Daher sind die Reaktionsmechanismen der Doppel-Pion-Photoproduktion weitgehend noch unverstanden. Aus diesem Grund ist die Untersuchung weiterer Observablenerforderlich. Die Helizitätsabhängigkeit stellt eine solcheneue Observable dar und kann dadurch gemessen werden, daßein zirkular polarisiertes Photon mit einem longitudinalpolarisierten Nukleon wechselwirkt. Der Photonspin beträgt1 und der Fermionenspin des Nukleons beträgt 1/2.Die Spins koppeln zu 3/2 und 1/2. Dies liefert diehelizitätsabhängigen Wirkungsquerschnitte.Diese Dissertation beschreibt den Aufbau des Mainzer GDH-Experiments und die technische Realisation der Messung helizitätsabhängiger Photoabsorptionswirkungsquerschnitte. Die Helizitätsabhängigkeit der doppelt geladenen Doppel-Pion-Photoproduktion am Proton wurde anhand der gemessenen Daten untersucht. Diese Reaktion ist ein Zweistufenprozeß, wobei das angeregte Nukleon resonant oder nicht-resonant in die Endzustandsteilchen zerfällt. Durch die helizitätsabhängigen Daten wurden Freiheitsgradein der Doppel-Pion-Photoproduktion eingeschränkt, wodurch eine Verbesserung der Modelle der Gent-Mainz- und der Valencia-Gruppe ermöglicht wurde. Die im Rahmen dieser Arbeit ermittelten Daten haben zusätzlich eine Motivation für weitere Interpretationsansätze durch die genanntenTheoriegruppen geschaffen.

An evolutionary approach to the design of experiments for combinatorial optimization with an application to enzyme engineering

In a large number of problems the high dimensionality of the search space, the vast number of variables and the economical constrains limit the ability of classical techniques to reach the optimum of a function, known or unknown. In this thesis we investigate the possibility to combine approaches from advanced statistics and optimization algorithms in such a way to better explore the combinatorial search space and to increase the performance of the approaches. To this purpose we propose two methods: (i) Model Based Ant Colony Design and (ii) Naïve Bayes Ant Colony Optimization. We test the performance of the two proposed solutions on a simulation study and we apply the novel techniques on an appplication in the field of Enzyme Engineering and Design.

Electron identification and reconstruction with the OPERA ECC bricks and search for muon neutrino to electron neutrino oscillations

The procedure for event location in OPERA ECC has been optimazed for penetrating particles while is less efficient for electrons. For this reason new procedure has been defined in order to recover event with an electromagnetic shower in its final state not located with the standard one. The new procedure include the standard procedure during which several electromagnetic shower hint has been defined by means of the available data. In case the event is not located, the presence of an electromagnetic shower hint trigger a dedicated procedure. The old and new location procedure has been then simulated in order to obtain the standard location efficiency and the possible gain due to the new one for the events with electromagnetic shower. Finally a Data-MC comparison has been performed for the 2008 and 2009 runs for what concern the NC in order to validate the Monte Carlo. Then the expected electron neutrino interactions for the 2008 and 2009 runs has been evaluated and compared with the available data.

Verwendung von Präzisionsmessungen zur Eingrenzung von Effekten jenseits des Standardmodells mittels eines effektiven feldtheoretischen Zugangs

Es gibt kaum eine präzisere Beschreibung der Natur als die durch das Standardmodell der Elementarteilchen (SM). Es ist in der Lage bis auf wenige Ausnahmen, die Physik der Materie- und Austauschfelder zu beschreiben. Dennoch ist man interessiert an einer umfassenderen Theorie, die beispielsweise auch die Gravitation mit einbezieht, Neutrinooszillationen beschreibt, und die darüber hinaus auch weitere offene Fragen klärt. Um dieser Theorie ein Stück näher zu kommen, befasst sich die vorliegende Arbeit mit einem effektiven Potenzreihenansatz zur Beschreibung der Physik des Standardmodells und neuer Phänomene. Mit Hilfe eines Massenparameters und einem Satz neuer Kopplungskonstanten wird die Neue Physik parametrisiert. In niedrigster Ordnung erhält man das bekannte SM, Terme höherer Ordnung in der Kopplungskonstanten beschreiben die Effekte jenseits des SMs. Aus gewissen Symmetrie-Anforderungen heraus ergibt sich eine definierte Anzahl von effektiven Operatoren mit Massendimension sechs, die den hier vorgestellten Rechnungen zugrunde liegen. Wir berechnen zunächst für eine bestimmte Auswahl von Prozessen zugehörige Zerfallsbreiten bzw. Wirkungsquerschnitte in einem Modell, welches das SM um einen einzigen neuen effektiven Operator erweitertet. Unter der Annahme, dass der zusätzliche Beitrag zur Observablen innerhalb des experimentellen Messfehlers ist, geben wir anhand von vorliegenden experimentellen Ergebnissen aus leptonischen und semileptonischen Präzisionsmessungen Ausschlussgrenzen der neuen Kopplungen in Abhängigkeit von dem Massenparameter an. Die hier angeführten Resultate versetzen Physiker zum Einen in die Lage zu beurteilen, bei welchen gemessenen Observablen eine Erhöhung der Präzision sinnvoll ist, um bessere Ausschlussgrenzen angeben zu können. Zum anderen erhält man einen Anhaltspunkt, welche Prozesse im Hinblick auf Entdeckungen Neuer Physik interessant sind.

Messung der B s-Oszillation mit dem semileptonischen Zerfall B 0 s D - s (phi pi -) my + ny my mit dem D0-Detektor

Das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik beschreibt sehr präzise die fundamentalen Bausteine und deren Wechselwirkungen (WW). Trotz des Erfolges gibt es noch offene Fragen, die vom SM nicht beantwortet werden können. Ein noch noch nicht abgeschlossener Test besteht aus der Messung der Stärke der schwachen Kopplung zwischen Quarks. Neutrale B- bzw. $bar{B}$-Mesonen können sich innerhalb ihrer Lebensdauer über einen Prozeß der schwachen WW in ihr Antiteilchen transformieren. Durch die Messung der Bs-Oszillation kann die Kopplung Vtd zwischen den Quarksorten Top (t) und Down (d) bestimmt werden. Alle bis Ende 2005 durchgeführten Experimente lieferten lediglich eine untere Grenze für die Oszillationsfrequenz von ms>14,4ps-1. Die vorliegenden Arbeit beschreibt die Messung der Bs-Oszillationsfrequenz ms mit dem semileptonischen Kanal BsD(-)+. Die verwendeten Daten stammen aus Proton-Antiproton-Kollisionen, die im Zeitraum von April 2002 bis März 2006 mit dem DØ-Detektor am Tevatron-Beschleuniger des Fermi National Accelerator Laboratory bei einer Schwerpunktsenergie von $sqrt{s}$=1,96TeV aufgezeichnet wurden. Die verwendeten Datensätze entsprechen einer integrierten Luminosität von 1,3fb-1 (620 millionen Ereignisse). Für diese Oszillationsmessung wurde der Quarkinhalt des Bs-Mesons zur Zeit der Produktion sowie des Zerfalls bestimmt und die Zerfallszeit wurde gemessen. Nach der Rekonstruktion und Selektion der Signalereignisse legt die Ladung des Myons den Quarkinhalt des Bs-Mesons zur Zeit des Zerfalls fest. Zusätzlich wurde der Quarkinhalt des Bs-Mesons zur Zeit der Produktion markiert. b-Quarks werden in $pbar{p}$-Kollisionen paarweise produziert. Die Zerfallsprodukte des zweiten b-Hadrons legen den Quarkinhalt des Bs-Mesons zur Zeit der Produktion fest. Bei einer Sensitivität von msenss=14,5ps-1 wurde eine untere Grenze für die Oszillationsfrequenz ms>15,5ps-1 bestimmt. Die Maximum-Likelihood-Methode lieferte eine Oszillationsfrequenz ms>(20+2,5-3,0(stat+syst)0,8(syst,k))ps-1 bei einem Vertrauensniveau von 90%. Der nicht nachgewiesene Neutrinoimpuls führt zu dem systematischen Fehler (sys,k). Dieses Resultat ergibt zusammen mit der entsprechenden Oszillation des Bd-Mesons eine signifikante Messung der Kopplung Vtd, in Übereinstimmung mit weiteren Experimenten über die schwachen Quarkkopplungen.

Quantum effects and dynamics in hydrogen-bonded systems: a first-principles approach to spectroscopic experiments

Computer simulations have become an important tool in physics. Especially systems in the solid state have been investigated extensively with the help of modern computational methods. This thesis focuses on the simulation of hydrogen-bonded systems, using quantum chemical methods combined with molecular dynamics (MD) simulations. MD simulations are carried out for investigating the energetics and structure of a system under conditions that include physical parameters such as temperature and pressure. Ab initio quantum chemical methods have proven to be capable of predicting spectroscopic quantities. The combination of these two features still represents a methodological challenge. Furthermore, conventional MD simulations consider the nuclei as classical particles. Not only motional effects, but also the quantum nature of the nuclei are expected to influence the properties of a molecular system. This work aims at a more realistic description of properties that are accessible via NMR experiments. With the help of the path integral formalism the quantum nature of the nuclei has been incorporated and its influence on the NMR parameters explored. The effect on both the NMR chemical shift and the Nuclear Quadrupole Coupling Constants (NQCC) is presented for intra- and intermolecular hydrogen bonds. The second part of this thesis presents the computation of electric field gradients within the Gaussian and Augmented Plane Waves (GAPW) framework, that allows for all-electron calculations in periodic systems. This recent development improves the accuracy of many calculations compared to the pseudopotential approximation, which treats the core electrons as part of an effective potential. In combination with MD simulations of water, the NMR longitudinal relaxation times for 17O and 2H have been obtained. The results show a considerable agreement with the experiment. Finally, an implementation of the calculation of the stress tensor into the quantum chemical program suite CP2K is presented. This enables MD simulations under constant pressure conditions, which is demonstrated with a series of liquid water simulations, that sheds light on the influence of the exchange-correlation functional used on the density of the simulated liquid.

Phytoplankton Response to Environmental Variables and Organic Pollutants. Laboratory Cultures and Numerical Simulations Experiments

Herbicides are becoming emergent contaminants in Italian surface, coastal and ground waters, due to their intensive use in agriculture. In marine environments herbicides have adverse effects on non-target organisms, as primary producers, resulting in oxygen depletion and decreased primary productivity. Alterations of species composition in algal communities can also occur due to the different sensitivity among the species. In the present thesis the effects of herbicides, widely used in the Northern Adriatic Sea, on different algal species were studied. The main goal of this work was to study the influence of temperature on algal growth in the presence of the triazinic herbicide terbuthylazine (TBA), and the cellular responses adopted to counteract the toxic effects of the pollutant (Chapter 1 and 2). The development of simulation models to be applied in environmental management are needed to organize and track information in a way that would not be possible otherwise and simulate an ecological prospective. The data collected from laboratory experiments were used to simulate algal responses to the TBA exposure at increasing temperature conditions (Chapter 3). Part of the thesis was conducted in foreign countries. The work presented in Chapter 4 was focused on the effect of high light on growth, toxicity and mixotrophy of the ichtyotoxic species Prymnesium parvum. In addition, a mesocosm experiment was conducted in order to study the synergic effect of the pollutant emamectin benzoate with other anthropogenic stressors, such as oil pollution and induced phytoplankton blooms (Chapter 5).

Development of new tools and devices for CMB and foreground data analysis and future experiments

The discovery of the Cosmic Microwave Background (CMB) radiation in 1965 is one of the fundamental milestones supporting the Big Bang theory. The CMB is one of the most important source of information in cosmology. The excellent accuracy of the recent CMB data of WMAP and Planck satellites confirmed the validity of the standard cosmological model and set a new challenge for the data analysis processes and their interpretation. In this thesis we deal with several aspects and useful tools of the data analysis. We focus on their optimization in order to have a complete exploitation of the Planck data and contribute to the final published results. The issues investigated are: the change of coordinates of CMB maps using the HEALPix package, the problem of the aliasing effect in the generation of low resolution maps, the comparison of the Angular Power Spectrum (APS) extraction performances of the optimal QML method, implemented in the code called BolPol, and the pseudo-Cl method, implemented in Cromaster. The QML method has been then applied to the Planck data at large angular scales to extract the CMB APS. The same method has been applied also to analyze the TT parity and the Low Variance anomalies in the Planck maps, showing a consistent deviation from the standard cosmological model, the possible origins for this results have been discussed. The Cromaster code instead has been applied to the 408 MHz and 1.42 GHz surveys focusing on the analysis of the APS of selected regions of the synchrotron emission. The new generation of CMB experiments will be dedicated to polarization measurements, for which are necessary high accuracy devices for separating the polarizations. Here a new technology, called Photonic Crystals, is exploited to develop a new polarization splitter device and its performances are compared to the devices used nowadays.