CERN to Gran Sasso; an ideal distance for superbeam?

We use the CP trajectory diagram as a tool for pictorial representation of the genuine CP and the matter effects to explore the possibility of an in situ simultaneous measurement of δ and the sign of Δℳ13 2. We end up with a low-energy conventional superbeam experiment with a megaton-class water Cherenkov detector and baseline length of about 700 km. A picturesque description of the combined ambiguity which may arise in simultaneous determination of θ13 and the above two quantities is given in terms of CP trajectory diagram.

Advanced functionality for radio analysis in the Offline software framework of the Pierre Auger Observatory

The advent of the Auger Engineering Radio Array (AERA) necessitates the development of a powerful framework for the analysis of radio measurements of cosmic ray air showers. As AERA performs ""radio-hybrid"" measurements of air shower radio emission in coincidence with the surface particle detectors and fluorescence telescopes of the Pierre Auger Observatory, the radio analysis functionality had to be incorporated in the existing hybrid analysis solutions for fluorescence and surface detector data. This goal has been achieved in a natural way by extending the existing Auger Offline software framework with radio functionality. In this article, we lay out the design, highlights and features of the radio extension implemented in the Auger Offline framework. Its functionality has achieved a high degree of sophistication and offers advanced features such as vectorial reconstruction of the electric field, advanced signal processing algorithms, a transparent and efficient handling of FFTs, a very detailed simulation of detector effects, and the read-in of multiple data formats including data from various radio simulation codes. The source code of this radio functionality can be made available to interested parties on request. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Anisotropy and chemical composition of ultra-high energy cosmic rays using arrival directions measured by the Pierre Auger Observatory

The Pierre Auger Collaboration has reported. evidence for anisotropy in the distribution of arrival directions of the cosmic rays with energies E > E(th) = 5.5 x 10(19) eV. These show a correlation with the distribution of nearby extragalactic objects, including an apparent excess around the direction of Centaurus A. If the particles responsible for these excesses at E > E(th) are heavy nuclei with charge Z, the proton component of the sources should lead to excesses in the same regions at energies E/Z. We here report the lack of anisotropies in these directions at energies above E(th)/Z (for illustrative values of Z = 6, 13, 26). If the anisotropies above E(th) are due to nuclei with charge Z, and under reasonable assumptions about the acceleration process, these observations imply stringent constraints on the allowed proton fraction at the lower energies.

Search for first harmonic modulation in the right ascension distribution of cosmic rays detected at the Pierre Auger Observatory

We present the results of searches for dipolar-type anisotropies in different energy ranges above 2.5 x 10(17) eV with the surface detector array of the Pierre Auger Observatory, reporting on both the phase and the amplitude measurements of the first harmonic modulation in the right-ascension distribution. Upper limits on the amplitudes are obtained, which provide the most stringent bounds at present, being below 2% at 99% C.L. for EeV energies. We also compare our results to those of previous experiments as well as with some theoretical expectations. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Discriminating among earth composition models using geo-antineutrinos

It has been estimated that the entire Earth generates heat corresponding to about 40 TW (equivalent to 10,000 nuclear power plants) which is considered to originate mainly from the radioactive decay of elements like U, Th and K, deposited in the crust and mantle of the Earth. Radioactivity of these elements produce not only heat but also antineutrinos (called geo-antineutrinos) which can be observed by terrestrial detectors. We investigate the possibility of discriminating among Earth composition models predicting different total radiogenic heat generation, by observing such geo-antineutrinos at Kamioka and Gran Sasso, assuming KamLAND and Borexino (type) detectors, respectively, at these places. By simulating the future geo-antineutrino data as well as reactor antineutrino background contributions, we try to establish to which extent we can discriminate among Earth composition models for given exposures (in units of kt · yr) at these two sites on our planet. We use also information on neutrino mixing parameters coming from solar neutrino data as well as KamLAND reactor antineutrino data, in order to estimate the number of geo-antineutrino induced events. © SISSA/ISAS 2003.

Potential of a neutrino detector in the ANDES underground laboratory for geophysics and astrophysics of neutrinos

The construction of the Agua Negra tunnels that will link Argentina and Chile under the Andes, the world's longest mountain range, opens the possibility of building the first deep underground laboratory in the Southern Hemisphere. This laboratory has the acronym ANDES (Agua Negra Deep Experiment Site) and its overburden could be as large as similar to 1.7 km of rock, or 4500 mwe, providing an excellent low background environment to study physics of rare events like the ones induced by neutrinos and/or dark matter. In this paper we investigate the physics potential of a few kiloton size liquid scintillator detector, which could be constructed in the ANDES laboratory as one of its possible scientific programs. In particular, we evaluate the impact of such a detector for the studies of geoneutrinos and Galactic supernova neutrinos, assuming a fiducial volume of 3 kilotons as a reference size. We emphasize the complementary roles of such a detector to the ones of the Northern Hemisphere neutrino facilities, given the advantages of its geographical location.

Description of atmospheric conditions at the Pierre Auger Observatory using the Global Data Assimilation System (GDAS)

Atmospheric conditions at the site of a cosmic ray observatory must be known for reconstructing observed extensive air showers. The Global Data Assimilation System (GDAS) is a global atmospheric model predicated on meteorological measurements and numerical weather predictions. GDAS provides altitude-dependent profiles of the main state variables of the atmosphere like temperature, pressure, and humidity. The original data and their application to the air shower reconstruction of the Pierre Auger Observatory are described. By comparisons with radiosonde and weather station measurements obtained on-site in Malargue and averaged monthly models, the utility of the GDAS data is shown. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Exploring nu signals in dark matter detectors

We investigate standard and non-standard solar neutrino signals in direct dark matter detection experiments. It is well known that even without new physics, scattering of solar neutrinos on nuclei or electrons is an irreducible background for direct dark matter searches, once these experiments reach the ton scale. Here, we entertain the possibility that neutrino interactions are enhanced by new physics, such as new light force carriers (for instance a "dark photon") or neutrino magnetic moments. We consider models with only the three standard neutrino flavors, as well as scenarios with extra sterile neutrinos. We find that low-energy neutrino-electron and neutrino-nucleus scattering rates can be enhanced by several orders of magnitude, potentially enough to explain the event excesses observed in CoGeNT and CRESST. We also investigate temporal modulation in these neutrino signals, which can arise from geometric effects, oscillation physics, non-standard neutrino energy loss, and direction-dependent detection efficiencies. We emphasize that, in addition to providing potential explanations for existing signals, models featuring new physics in the neutrino sector can also be very relevant to future dark matter searches, where, on the one hand, they can be probed and constrained, but on the other hand, their signatures could also be confused with dark matter signals.

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.

Measurement of the atmospheric muon charge ratio with the OPERA detector

The atmospheric muon charge ratio, defined as the number of positive over negative charged muons, is an interesting quantity for the study of high energy hadronic interactions in atmosphere and the nature of the primary cosmic rays. The measurement of the charge ratio in the TeV muon energy range allows to study the hadronic interactions in kinematic regions not yet explored at accelerators. The OPERA experiment is a hybrid electronic detector/emulsion apparatus, located in the underground Gran Sasso Laboratory, at an average depth of 3800 meters water equivalent (m.w.e.). OPERA is the first large magnetized detector that can measure the muon charge ratio at the LNGS depth, with a wide acceptance for cosmic ray muons coming from above. In this thesis, the muon charge ratio is measured using the spectrometers of the OPERA detector in the highest energy region. The charge ratio was computed separately for single and for multiple muon events, in order to select different primary cosmic ray samples in energy and composition. The measurement as a function of the surface muon energy is used to infer parameters characterizing the particle production in atmosphere, that will be used to constrain Monte Carlo predictions. Finally, the experimental results are interpreted in terms of cosmic ray and particle physics models.

Caratterizzazione e calibrazione dei fotomoltiplicatori del sistema di veto di muoni per l'esperimento xenon1t

Alcune osservazioni sperimentali portano ad affermare che la maggior parte della massa dell'universo è costituita da un tipo di materia definita oscura, cioè materia che interagisce solo gravitazionalmente e debolmente. I candidati più promettenti sono tipicamente identificati con le WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). L'esperimento XENON1T per la rivelazione di materia oscura, in fase di costruzione nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sfrutta uno spessore di 1.4 km di roccia schermante. Il rivelatore è una Time Projection Chamber contenente circa 2 tonnellate di xeno e avrà sensibilità per sezioni d’urto WIMP-nucleo spin-indipendent pari a circa 2x10-47 cm2 (per WIMP di massa 50 GeV/c2), due ordini di grandezza al di sotto degli attuali limiti. Per raggiungere tale sensibilità la TPC sarà inserita in una tank cilindrica riempita di acqua ultrapura, che fungerà sia da schermo passivo contro la radiazione esterna (gamma e neutroni di bassa energia), sia da veto per i muoni cosmici. I muoni possono infatti produrre neutroni di energia tale da raggiungere la TPC e simulare segnali tipici delle WIMP. Essi sono identificati per via della radiazione Cherenkov, emessa in seguito al loro passaggio in acqua, rivelata per mezzo di 84 fotomoltiplicatori (PMT) 8'' Hamamatsu R5912ASSY HQE. Lo studio delle prestazioni e delle caratteristiche dei PMT utilizzati nel sistema di veto di muoni sono lo scopo di questo lavoro di tesi. In particolare è stato preparato un opportuno setup per i test dei fotomoltiplicatori e sono state effettuate misure di guadagno, dark rate ed afterpulse. In una prima fase sono stati testati in aria 50 PMT presso la Sezione INFN di Bologna, nel periodo compreso tra Novembre 2012 e Marzo 2013 ed in una seconda fase sono stati testati in acqua 90 PMT presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, nel periodo compreso tra Aprile e Settembre 2013.

Ricerca di interazioni di nu_e nell'esperimento OPERA

OPERA è un esperimento installato ai Laboratori del Gran Sasso, lungo la linea del fascio di neutrini CNGS prodotto al CERN. Il suo scopo principale è osservare - per la prima volta in modo diretto - il fenomeno dell'oscillazione di neutrini muonici del CNGS, in neutrini-tau. L'esperimento è attualmente in fase di analisi dati. Accanto al canale di oscillazione dominante nu_mu--> nu_tau OPERA può studiare anche il canale nu_mu--> nu_e grazie all'ottima capacità di identificazione degli elettroni. OPERA utilizza un bersaglio attivo, finemente segmentato in moduli ("brick") costituiti da pile di fogli di emulsioni nucleare e lastre di piombo. Ogni "brick", il cui spessore è equivalente a 10 lunghezze di radiazione, è un rivelatore "stand-alone" attraverso il quale è possibile identificare e ricostruire gli sciami elettromagnetici e quindi le interazioni a corrente carica di neutrini elettronici. Il progetto di tesi si inquadra in questo contesto. Gli obiettivi specifici sono: - implementazione di una nuova procedura di trigger applicata per l'identificazione degli sciami elettromagnetici; - validazione della suddetta procedura sui dati simulati.

Study of the sensitivity of the XENON1T experiment with the profile likelihood method

Oggi sappiamo che la materia ordinaria rappresenta solo una piccola parte dell'intero contenuto in massa dell'Universo. L'ipotesi dell'esistenza della Materia Oscura, un nuovo tipo di materia che interagisce solo gravitazionalmente e, forse, tramite la forza debole, è stata avvalorata da numerose evidenze su scala sia galattica che cosmologica. Gli sforzi rivolti alla ricerca delle cosiddette WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), il generico nome dato alle particelle di Materia Oscura, si sono moltiplicati nel corso degli ultimi anni. L'esperimento XENON1T, attualmente in costruzione presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) e che sarà in presa dati entro la fine del 2015, segnerà un significativo passo in avanti nella ricerca diretta di Materia Oscura, che si basa sulla rivelazione di collisioni elastiche su nuclei bersaglio. XENON1T rappresenta la fase attuale del progetto XENON, che ha già realizzato gli esperimenti XENON10 (2005) e XENON100 (2008 e tuttora in funzione) e che prevede anche un ulteriore sviluppo, chiamato XENONnT. Il rivelatore XENON1T sfrutta circa 3 tonnellate di xeno liquido (LXe) e si basa su una Time Projection Chamber (TPC) a doppia fase. Dettagliate simulazioni Monte Carlo della geometria del rivelatore, assieme a specifiche misure della radioattività dei materiali e stime della purezza dello xeno utilizzato, hanno permesso di predire con accuratezza il fondo atteso. In questo lavoro di tesi, presentiamo lo studio della sensibilità attesa per XENON1T effettuato tramite il metodo statistico chiamato Profile Likelihood (PL) Ratio, il quale nell'ambito di un approccio frequentista permette un'appropriata trattazione delle incertezze sistematiche. In un primo momento è stata stimata la sensibilità usando il metodo semplificato Likelihood Ratio che non tiene conto di alcuna sistematica. In questo modo si è potuto valutare l'impatto della principale incertezza sistematica per XENON1T, ovvero quella sulla emissione di luce di scintillazione dello xeno per rinculi nucleari di bassa energia. I risultati conclusivi ottenuti con il metodo PL indicano che XENON1T sarà in grado di migliorare significativamente gli attuali limiti di esclusione di WIMPs; la massima sensibilità raggiunge una sezione d'urto σ=1.2∙10-47 cm2 per una massa di WIMP di 50 GeV/c2 e per una esposizione nominale di 2 tonnellate∙anno. I risultati ottenuti sono in linea con l'ambizioso obiettivo di XENON1T di abbassare gli attuali limiti sulla sezione d'urto, σ, delle WIMPs di due ordini di grandezza. Con tali prestazioni, e considerando 1 tonnellata di LXe come massa fiduciale, XENON1T sarà in grado di superare gli attuali limiti (esperimento LUX, 2013) dopo soli 5 giorni di acquisizione dati.

Preparazione di un setup sperimentale e misure preliminari per la caratterizzazione in aria di SiPM da utilizzare per esperimenti di ricerca della materia oscura

Da numerose osservazioni astronomiche e cosmologiche si ipotizza che la Materia Oscura rappresenti gran parte della massa dell’Universo. La Materia Oscura ha la particolarita` di interagire solo gravitazionalmente o debolmente e si presenta come massiva e neutra. Tra i vari candidati al ruolo di particelle di Materia Oscura troviamo le WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Un’esperimento che si propone di rivelare in modo diretto le WIMP, mediante la loro diffusione elastica su nuclei di Xeno, `e il progetto XENON presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Le tecniche di rivelazione diretta prevedono l’utilizzo di rivelatori grandi, in questo caso a gas nobile, ultra puri e situati in ambienti a bassa radioattivita` per diminuire il rumore di fondo come ad esempio i neutroni indotti dai muoni provenienti dai raggi cosmici (laboratori sotterranei). A causa della sezione d’urto molto piccola necessario raggiungere basse energie di soglia. A tal proposito sono in fase di ricerca e sviluppo soluzioni che permettano di migliorare le prestazioni del rivelatore; ad esempio sono in fase di studio soluzioni tecnologiche che migliorino la raccolta di luce. Una di queste prevede l’utilizzo di foto rivelatori tipo SiPM da affiancare a normali PMT. Tali rivelatori devono essere in grado di funzionare a basse temperature (circa −100◦ C) e devono poter rivelare fotoni di lunghezza d’onda di 178 nm. Il mio lavoro di tesi si colloca nell’ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. Lo scopo di questo lavoro `e stato infatti la preparazione di un setup sperimentale per caratterizzare in aria fotorivelatori SiPM Hamamatsu (prototipo codice S12574) in grado di lavorare in Xeno liquido. Oltre all’installazione del setup mi sono occupato di scrivere un programma in C++ in grado di analizzare le forme d’onda acquisite in run preliminari e di misurare guadagno e dark count rate del rivelatore.