istituto nazionale di fisica nucleare mae/elenco_25programmi_finali_csn1.pdf · istituto nazionale...

26
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE ELENCO PROGRAMMI PER BORSE DI STUDIO TRIMESTRALI PER LAUREANDI, NEOLAUREATI MAGISTRALI IN FISICA DELLE PARTICELLE O ISCRITTI AL PRIMO ANNO DEL DOTTORATO IN FISICA DELLE PARTICELLE (Bando n. 18188 del 8 giugno 2016)

Upload: vuongduong

Post on 02-Sep-2018

221 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE

ELENCO PROGRAMMI PER BORSE DI STUDIO TRIMESTRALI PER LAUREANDI,

NEOLAUREATI MAGISTRALI IN FISICA DELLE PARTICELLE

O ISCRITTI AL PRIMO ANNO DEL DOTTORATO

IN FISICA DELLE PARTICELLE (Bando n. 18188 del 8 giugno 2016)

CERN-1

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

CERN   September  2016   Pernegger  Heinz  (CERN)  Andreazza  Attilio  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

"Studies  of  HV-­‐CMOS  sensors  for  the  ATLAS  upgrade":  The  High  Luminosity  LHC  upgrade  requires  that  the  experiments  will  manage  an  interaction  rate  and  radiation  damage  one  order  of  magnitude  larger  than  designed.  In  view  of  this  upgrade  the  ATLAS  Collaboration  is  exploring  the  use  of  innovative  silicon  pixel  detectors  based  on  HV-­‐CMOS  sensors,  to  be  located  close  to  the  interaction  region.    The  student  will  participate  in  the  characterization  of  the  first  prototypes  of  these  new  detectors  in  testbeams,  laboratory  tests,  transition  current    (TCT)  measurements,  as  well  as  in  the  comparison  of  prototype  performance  after  irradiation  up  to  a  fluence  of  1016  particle/cm2.    A  simulation  study  of  the  impact  on  tracking  performance  can  be  an  addition  to  the  main  characterization  program.  

Prerequisites  for  the  candidate  are  a  basic  knowledge  of  general  purpose  laboratory  instrumentation,  interaction  of  radiation  with  matter  and  basic  programming  skills.    Daily  activity  will  be  held  in  the  ATLAS  Pixel  laboratory  at  CERN,  where  the  student  will  learn  advanced  techniques  for  the  characterization  of  silicon  detectors,  testing  their  behaviour  with  electrical  measurements,  response  to  laser  pulses  and  charged  particles.    She  or  he  will  practice  with  C++  programming  for  the  analysis  of  the  acquired  data  and  for  the  simulation  of  the  new  detector  performance.  

CERN-2

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

CERN   August-­‐October  2016   Ancu  Lucian  (Univ.  of  Geneva-­‐CERN)  Volpi  Guido,  Alberto  Annovi    (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

The  student  will  join  the  team  presently  commissioning  the  Fast-­‐Tracker  (FTK)  trigger  processor  at  CERN.  FTK  is  one  of  the  ATLAS    trigger  upgrade.  It  will  reconstruct  all  the  inner  detector  tracks  with  transverse  momentum  larger  than  1  GeV  at  the  input  rate  of  the  High  level  trigger  greatly  increasing  the  trigger  power  for  b-­‐jet  and  tau-­‐lepton  signatures.  Moreover  it  will  allows  multiple  vertex    reconstruction  at  trigger  level  reinforcing  pile-­‐up  suppression  strategies.  FTK  is  based  on  custom  electronic  boards,  associative  memories  and  intensive  use  of  FPGA.  All  boards  are  completing  production.  The  commissioning  phase  in  the  ATLAS  Control  Room  is  in  its  intensive    phase.  We  believe  this  is  a  very  formative  moment  for  a  student  to    join  the  project  and  participate  to  the  system  commissioning.  The  candidate  will  be  involved  in  the  operation  of  the  electronics  cards,  in  the  development  of  the  monitoring  software  and  the  debugging  of  the  Associative  Memory  board.  He  will  study  the  FTK  performances  on  the  first  real  data  and  compare  his  results  with  those  obtained  on  simulated  samples.  The  balance  of  activity  between  operation  and  analysis  will  depend  on  the  candidate  skills  and  the  commissioning  status  at  the  moment  the  student  will  join  the  project.    

Month  1:  participation  to  the  commissioning  and  learning  of  basic  system  operations  in  the  ATLAS  online  environment.  Root  simple  plots  learning  the  FTK  format.  Month  2-­‐3:    Monitoring  software  writing  to  control  the  operations  of  the  system.  Plots  on  the  first  tracks    from  FTK.  Running  of  the  FTK  simulation  to  verify  correct  operations.  If  possible  production  of  performance  plots.  All  activities  will  be  conducted  with  the  supervision  of  experts  at  CERN.  The  required  skills  are:  basic  knowledge  of  C++  programming  language,  ROOT  program  and  use  of  linux  system.  Basic  knowledge  of  python  programming    and  bash  scripting  language  would  be  a  plus.    

CERN-3

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

CERN   August-­‐November  2016   Hollar Jonathan J. (CERN) Arneodo Michele (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

The  CMS-­‐TOTEM  Precision  Proton  Spectrometer  (CT-­‐PPS)  aims  at  studying  central  exclusive  production  (CEP)  at  LHC,  pp-­‐-­‐>  pXp,  a  process  in  which  the  protons  lose  a  small  fraction  of  their  momentum  and  are  measured  in  Roman  Pot  stations  along  the  LHC  beam-­‐line.  The  reaction  gives  access  e.g.  to  the  so-­‐called  anomalous  quartic  gauge  couplings,  to  the  proton  structure  and  to  QCD  in  conditions  so  far  unexplored.  It  is  also  possible  to  characterize  unambiguously  any  resonance  produced  centrally  and  exclusively:  only  J^PC=0^++  or  2^++  states  are  possible.  CT-­‐PPS  is  currently  being  commissioned,  a  year  earlier  than  planned,  precisely  in  order  to  be  able  to  characterize  the  750  GeV  resonance  possibly  observed  in  the  di-­‐photon  invariant  mass  spectra  by  ATLAS  and  CMS  in  2015.  The  fellowship  recipient  will  take  part  in  the  commissioning  and  data  taking  of  CT-­‐PPS.  He/she  will  also  participate  to  the  analysis  of  the  data,  first  in  order  to  understand  the  behaviour  of  the  spectrometer,  and  then,  if  he/she  so  desires,  to  join  the  search  for  the  750  GeV  state  -­‐-­‐  or  another  physics  analysis.      

The  main  activities  will  be:  participation  to  the  CT-­‐PPS  work  in  the  CMS  control  room;  data  analysis  to  understand  the  behaviour  of  CT-­‐PPS  (e.g.  track  multiplicities,  backgrounds,  correlations  between  the  tracking  and  timing  detectors);  participation  to  an  analysis  based  on  the  data  collected  with  CT-­‐PPS  or  with  the  data  jointly  collected  by  CMS  and  TOTEM  in  2015.  Requirements:  knowledge  of  C++;  knowledge  of  the  CMS  software  environment  welcome.  Acquired  competences:  experience  with  near-­‐beam  detectors,  familiarity  with  the  physics  of  CEP  and  accelerator  physics;  fluency  in  the  ROOT  analysis  package;  most  importantly,  understanding  of  a  newly  installed  detector  and  extraction  of  physics  from  its  first  data.    

CERN-4

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

CERN   August-­‐October  2016   Rovere  Marco,  Pantaleo  Felice  (CERN)  Silvestris  Lucia,  Pompili  Alex  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

During  Run  3,  the  increased  luminosity  with  the  consequent  increased  pile-­‐up  will  pose  significant  new  challenges  for  the  CMS  detector,  in  particular  for  the  reconstruction  of  tracks  that  will  be  heavily  affected  by  the  increased  track  density.  The  quest  of  significantly  reducing  the  40  MHz  data  rate  delivered  by  proton-­‐proton  collisions  to  the  detectors,  together  with  the  retention  of  physics  signal  potentially  interesting  for  searches  of  new  physics  phenomena  led  to  the  evaluation  of  modern  multi-­‐cores  and  many-­‐cores  architectures  for  the  enhancement  of  the  existing  High-­‐Level  Trigger  (HLT).  The  primary  goal  of  the  HLT  is  to  apply  a  specific  set  of  physics  selection  algorithms  on  the  events  read  out  and  accept  the  events  with  the  most  interesting  physics  content.  By  its  very  nature  of  being  a  computing  system,  the  HLT  relies  on  technologies  that  have  evolved  extremely  rapidly  but  that  cannot  rely  anymore  on  an  exponential  growth  of  frequency  guaranteed  by  the  manufacturers.  Graphics  Processing  Units  (GPUs)  are  massively  parallel  architectures  that  can  be  programmed  using  extensions  to  the  standard  C  and  C++  languages.  In  a  synchronous  system  GPUs  are  proved  to  be  highly  reliable  and  show  a  deterministic  time  response  even  in  branch  divergences.  These  two  features  allow  GPUs  to  be  perfectly  suited  to  run  pattern  recognition  algorithms  on  detector  data  in  a  trigger  environment.  From  the  physics  perspective,  such  an  enhancement  of  the  trigger  capabilities  would  allow  inclusion  of  new  tracking  triggers  and  the  selection  of  events  that  are  currently  not  recorded  efficiently.  

The  project  is  aimed  at  the  development  and  evaluation  of  parallel  algorithms  for  track  seeding  on  GPUs.  This  would  allow  the  student  to  learn  how  to  program  a  GPU  using  CUDA  and  how  to  evaluate  the  performance  of  a  heterogeneous  computing  system.    

CERN-5

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

CERN   August-­‐October  2016   Vai  Ilaria,  Maggi  Marcello  (CERN-­‐INFN)  Verwilligen  Piet  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

"Development  and  test  of  new  Micropattern  Gaseous  Detectors  for  the  muon  system  of  the  CMS  experiment":  The  full  exploitation  of  the  LHC  is  the  highest  priority  for  CERN  and  requires  a  major  upgrade  for  the  LHC  around  2020  (High  Luminosity  LHC,  HL-­‐LHC).  In  order  to  reconstruct  precisely  the  proton-­‐proton  (pp)  collisions  provided  by  the  HL-­‐LHC,  and  maintain  the  high  level  of  performance  achieved  during  Run  1  also  in  the  new  challenging  environment,  the  experiments  have  to  perform  a  major  upgrade  as  well.  Ultra-­‐fast  timing  detectors  can  identify  the  vertex  of  the  pp-­‐collision,  thereby  reducing  the  background  from  neighbouring  collisions  of  a  factor  up  to  200.  For  the  upgrade  of  the  muon  system,  the  most  promising  technology  are  micropattern  gaseous  detectors  (MPGD).  To  use  timing  to  identify  the  correct  pp-­‐collision,  detectors  with  sub-­‐nanosecond  time  resolution  are  required.  A  new  type  of  micropattern  gaseous  detector  (MPGD)  has  been  proposed  and  currently  new  prototypes  are  being  produced  at  CERN.  In  the  next  months  the  activity  will  be  focused  on  the  analysis  of  the  performances  of  these  detectors,  through  tests  in  laboratory,  tests  beam  and  irradiations  at  facilities,  in  order  to  understand  the  feasibility  of  their  installation  in  the  CMS  muon  system.    

The  student  will  be  involved  in  the  activities  of  the  CMS-­‐MPGD  lab    at  CERN.    She/He  will  take  part  in  the  design  and  assembly  of  the  new  prototypes,  and  will  characterize  these  detectors  in  the  lab.  The  student  will  study  the  signals  and  detector  gain  with  an  X-­‐ray  gun,  while  a  cosmic  stand  is  available  to  measure  the  detection  efficiency  and  the  timing  resolution.  The  student  will  take  part  in  the  preparation  and  running  of  detector  at  the  test  beam  facilities  and  Gamma  Irradiation  Facility.  Basic  knowledge  of  radiation  detection  techniques  for  particle  physics  and  of  gaseous  detectors  principles  is  required.    

CERN-6

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

CERN   September-­‐October  2016   Magini  Nicolò,  Pierini  Maurizio,  Piparo  Danilo  (CERN)  Bonacorsi  Daniele  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

The  CMS  experiment  at  the  LHC  accelerator  at  CERN  designed  and  implemented  a  Computing  model  that  allowed  successful  Computing  operations  in  Run-­‐1  and  gave  a  crucial  contribution  to  the  discovery  of  the  Higgs  boson  by  the  ATLAS  and  CMS  experiments.  Activities  continue  in  Run-­‐2,  and  an  ambitious  program  is  ahead  of  us,  towards  HL-­‐LHC  (2026+).  Among  the  non-­‐collisions  metadata  about  the  performances  of  the  computing  operations  some  well  fit  to  deeper  investigation  with  Big  Data  Analytics  (BDA)  approaches.  Exploratory  projects  to  extract  value  from  this  dataset,  e.g.  by  investigating  predictability  of  crucial  metrics,  as  well  as  seeking  for  far-­‐from-­‐obvious  patterns  and  correlations,  can  get  a  big  value  out  of  this  dataset.  One  aspect  of  particular  interest  in  this  context  is  the  CMS  data  access  pattern  in  distributed  analysis  (modelled  as  the  “data  popularity”  metric):  this  is  the  basis  to  design  more  intelligent  and  fully  automated  dynamic  data  placement  systems,  and  achieve  large  optimisation  in  the  storage  usage  at  all  Tiers  levels.  CMS  experts  designed  and  developed  a  prototype  infrastructure  based  on  supervised  machine  learning,  and  ad-­‐hoc  hardware  resources  are  being  acquired  for  the  task.  We  propose  to  exploit  such  resources  to  apply  supervised  ML  techniques  on  monitoring  data  extracted  from  CMS  databases  and  prepared  for  the  task,  and  to  study  the  data  popularity  of  CMS  data  in  the  past  in  order  to  predict  the  data  popularity  of  new  data.  

The  student  will  be  introduced  to  the  challenging  topic  and  to  the  existing  prototype,  and  will  work  on  completing  the  implementation  and  on  performing  the  tests  towards  an  actual  predictability  of  popularity  based  on  past  data.  The  project  requires  familiarity  with  the  Linux  OS  and  environment,  interest  in  computing  technologies  and  (if  possible)  some  pre-­‐existing  knowledge  about  python  and  Machine  Learning.    

CERN-7

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

CERN   August-­‐October  2016   Iengo  Paolo,  Sekhniaidze  Givi  (CERN),  Alviggi  M.Grazia  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

The  ATLAS  collaboration  is  presently  involved  in  the  detector  upgrade  for  LHC  phase  1.  Part  of  the  Italian  ATLAS-­‐muon  community  (Cosenza,  Lecce,  Napoli,  LNF,  Pavia,  Roma1,  Roma3)  is  taking  care  of  building  one  (SM1)  of  the  four  types  (SM1,SM2,LM1,LM2)  of  MicroMegas  modules  needed  for  the  New  Small  Wheels  of  the  muon  spectrometer.  Other  ATLAS  institutions  (CERN,  Dubna,  Thessaloniki,  Germany,  Saclay)  will  take  care  of  the  remaining  three  module  types.    The  first  module,  named  Module  0  in  the  following,  has  recently  been  built  from  the  Italian  community,  and  other  three,  one  for  each  type,  will  come  from  the  other  involved  institutions  in  the  next  few  months.  These  Modules  0  will  be  right  after  brought  to  CERN,  in  order  to  be  tested  with  both  cosmics  and  charged  particles  beams  before  starting  the  full  production.  These  tests  will  be  aimed  at  studying  the  Modules  0  performance  with  particular  attention  to  the  track  reconstruction  capability,  that  is  the  micromegas  main  task  in  ATLAS.    After  the  'testbeam'  periods,  we  also  plan  to  bring  at  least  one  of  the  Modules  0  to  the  Gamma  Irradiation  Facility  (GIF++,  CERN)  in  order  to  study  its  high  rate  performance  and  ageing.    

Depending  on  the  starting  date  of  the  fellowship,  she/he  would  be  involved  in  one  (or  two)  of  the  foreseen  activities,  'cosmics  and  test  beam'  or  'GIF++',  participating  to  the  setting  up  of  the  needed  instrumentation,  to  the  data  taking  and  to  the  data  analysis.  Knowledge  of  C++  and  Root  would  be  an  advantage  but  not  mandatory.  The  student  will  have  the  opportunity  to  acquire  hands-­‐on  experience  on:    •  micromegas  detectors,    •  readout  electronics  and  acquisition  packages,    •  particle  physics  data  analysis  tools,  •  'handling'  of  a  small  scale  experiment.    

CERN-8

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

CERN   September  2016   Petyt  David  A.  (RAL),  Di  Marco  Emanuele  (CERN),  Rahatlou  Shahram  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

The  electromagnetic  calorimeter  (ECAL)  of  the  Compact  Muon  Solenoid  (CMS)  Experiment  is  crucial  for  achieving  high  resolution  measurements  of  electrons  and  photons.  Maintaining  and  possibly  improving  the  excellent  performance  achieved  in  Run  I  is  vital  in  searches  for  new  heavy  resonances.  In  particular,  the  optimal  ECAL  energy  resolution  is  of  paramount  importance  and  a  necessary  ingredient  to  verify  the  modest  excess  in  the  di-­‐photon  invariant  mass  at  750  GeV,  observed  by  both  ATLAS  and  CMS  collaborations,  with  the  data  to  be  collected  in  2016.  The  project  is  focused  on  the  calibration  of  the  ECAL  with  pi0  and  eta  mesons  decaying  into  a  pair  of  photons,  which  is  the  most  precise  technique  to  achieve  the  ECAL  energy  crystal-­‐to-­‐crystal  calibration  with  the  first  data  collected  at  13  TeV  center-­‐of-­‐mass  energy  in  2016.  The  method  has  to  be  optimised  for  the  LHC  bunch  spacing  of  25  ns,  and  for  the  instantaneous  luminosity  that  during  2016  is  expected  to  exceed  the  levels  previously  attained.  The  average  number  of  concurrent  proton-­‐proton  collisions  per  bunch-­‐crossing  is  expected  to  reach  up  to  40  interactions,  thus  challenging  the  calibration  with  low  pT  photons  from  pi0/eta  decays.  The  student  will  need  first  to  optimise  the  rates  of  the  CMS  High  Level  Trigger  (HLT)  π0/η  stream.  The  HLT  is  responsible  for  selecting  interesting  events  to  be  recorded  and  is  based  on  different  dedicated  streams  used  for  physics  analyses  or  calibrations.  Then  the  student  will  perform  the  calibration  with  data.    

This  requires  technical  skills  in  C++,  python,  and  a  preliminary  knowledge  of  the  CMS  software  (CMSSW).  For  the  calibration  part  of  the  project,  the  student  will  be  provided  with  ROOT  trees  from  the  dedicated  calibration  streams,  and  will  need  to  perform  efficiently  a  large  number  of  fits  on  large  datasets.  This  requires  skills  with  python,  C++,  ROOT  and  RooFit.  The  student  will  learn  basic  concepts  of  calorimetry,  in-­‐situ  calibrations  of  an  extremely  precise  detector,  basic  concepts  of  data  analysis  and  also  computing.    

CERN-9

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

CERN   August-­‐October  2016   Arcidiacono  Roberta  (CERN/INFN)  Nicolò  Cartiglia  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

We  propose  a  stage  of  3  months  at  the  silicon  lab.  of  dott.  M.Moll  at  CERN.  Moll's  lab.  is  at  the  forefront  in  the  research  of  new  type  of  silicon  sensors,  and  it  has  an  extremely  advanced  array  of  measuring  set-­‐up.  Making  a  stage  in  this  lab.  is  a  very  important  step  in  the  education  of  a  student  interested  in  the  development  of  new  detectors.  In  Moll's  lab.  they  measure  key  features  of  silicon  sensors  such  as  the  IV  and  CV  curves,  and  the  test  with  laser  sources,  to  reproduce  the  signals  generated  by  minimum  ionizing  and  alpha  particles.  They  are  currently  also  very  engaged  in  the  study  of  radiation  damage  of  silicon  sensors  in  view  of  the  productions  on  the  silicon  detectors  for  HL-­‐LHC.  Finally,  they  use  full  simulation  packages  for  particle  detectors  such  as  TCAD  Synopsis,  offering  the  prospect  student  the  possibility  to  learn  such  advanced  tool.  An  added  benefit  to  a  stage  in  Moll's  lab.  is  the  wide  range  of  scientific  contacts,  as  this  is  the  centre  of  the  CERN  RD50  collaboration  whose  goal  is  the  development  of  silicon  detectors  for  future  experiments.    

The  student  will  learn  how  to  program  instruments  (Labview,  mathlab)  and  perform  accurate  testing  of  semiconductor  sensors  in  a  laboratory.  He/she  will  also  participate  in  beam  test  activities,  and  the  subsequent  data  analysis  (root,  C++).  He/she  will  learn  the  basic  principles  of  TCAD  simulation  and  at  the  end  of  the  stage  will  be  able  to  compare  the  behavior  of  silicon  sensors  with  the  predictions  from  simulation  (Synopsis).    

CERN-10

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

CERN   August  22,  2016   Lamanna  Gianluca,  Spadaro  Tommaso  (CERN/INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

"Photon-­‐based  new-­‐physics  searches  at  NA62":  The  scientific  activity  will  be  performed  within  NA62,  a  ultra-­‐high-­‐intensity  kaon-­‐beam  experiment  operating  at  the  CERN  SPS.  It  will  focus  on  the  high-­‐efficiency  large-­‐angle  veto  calorimeter  (LAV)  build  by  the  NA62  Frascati  group.  In  particular,  advanced  methods  for  efficiency  assessment  will  be  developed,  based  on  unbinned  maximum-­‐likelihood  kinematic  fits  and/or  machine-­‐learning  techniques  for  selection  of  high-­‐purity  control  samples.  A  thorough  knowledge  of  the  calorimeter  efficiency  to  photons  will  allow  exploitation  of  high-­‐intensity  kaon  and  pi0  tagged  beams  for  high-­‐sensitivity  searches  of  new  physics  beyond  the  Standard  Model,  based  on  real  data  acquired  in  2016.  We  propose  a  search  for  K+  decays  producing  final  states  with  a  single  charged  pion  and  a  single  photon,  which  can  reach  unprecedented  sensitivity  on  certain  dark-­‐matter  candidates  known  as  dark  photons.    

The  candidate  is  expected  to  be  familiar  with  basic  concepts  of  kinematics  of  particle  decays  and  the  observables  provided  by  a  modern  high-­‐energy-­‐physics  detector:  the  momentum  measurement  from  a  magnetic  spectrometer;  the  energy  deposit,  the  position  and  time  of  impact  from  electromagnetic  and  hadronic  calorimeters,  the  particle-­‐identification  provided  by  ring-­‐imaging  and  differential  Cherenkov  counters.  Basic  code  development  capabilities  in  C++  and  ROOT  are  mandatory.  Under  the  day-­‐by-­‐day  guidance  of  the  reference  researchers,  he/she  will  develop  and  follow  a  programme  to:  i)  precisely  assess  the  calorimeter  efficiency  to  be  applied  for  a  new-­‐physics  search  comparing  selected  control  samples  on  data  and  Monte  Carlo;  ii)  evaluate  the  efficiency  of  a  simple  algorithm  for  selection  of  new-­‐physics  decays  with  a  dark  photon  in  the  final  state;  iii)  evaluate  the  expected  background  from  data  side-­‐bands  and  Monte  Carlo.  After  a  three-­‐month  experience,  he/she  will  have  gained  familiarity  with  modern  methods  for  efficiency  evaluation,  systematic  error  assessment  and  background  evaluation.    

CERN-11

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

CERN   September-­‐October  2016   Borghi  Silvia  (CERN)  Grillo  Lucia,  Marta  Calvi  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

The  LHCb  experiment  performs  precision  measurements  in  beauty  and  charm  meson  sectors,  potentially  sensitive  to  physics  beyond  the  Standard  Model.  The  new  scheme  for  the  LHCb  software  trigger  in  Run-­‐II  allows  to  perform  alignment  and  calibration  in  real-­‐time.  This  novel  strategy  is  a  key  ingredient  to  allow  the  offline-­‐quality  event  reconstruction  to  be  performed  in  the  trigger,  where  tighter  requirements  are  applied  increasing  the  selection  efficiency  and  purity  of  the  samples.  This  concept  leads  to  considerable  gains  in  physics  performances,  but  there  is  still  room  for  further  improvements.  The  alignment  of  the  tracking  system  could  be  improved  exploiting  additional  constraints  and  a  better  selection  of  the  tracks  and  particles  used  in  the  procedure.  For  example  the  residual  information  defined  as  spatial  or  time  distance  between  the  measured  hit  position  and  the  predicted  one  by  the  track  extrapolation,  could  be  further  exploited  to  discriminate  tracks  of  real  particles  from  fakes.  The  new  selection  criteria  need  to  be  studied,  tuned  verifying  the  results  of  the  alignment  quality,  and  implemented  in  the  trigger  selection.  Depending  on  the  signal  efficiency  and  background  rejection  achieved,  the  selection  could  have  additional  use  cases.  The  student  will  develop  these  procedures  collaborating  with  tracking,  alignment  and  trigger  experts.    

The  student  should  be  able  to  understand  and  modify  the  indicated  part  of  code  (mainly  C++  and  python),  and  have  some  physics  knowledge/understanding.  It  is  desirable  some  knowledge  of  the  ROOT  framework  and  multivariate  analysis  tools.  This  project  allows  the  student  to  familiarize  with  detector  alignment  and  calibration  procedures  and  the  trigger  system,  which  are  the  fundamental  key  ingredients  of  any  experiment  in  High  Energy  physics,  and  to  gain/increase  experience  in  data  analysis  and  computational  algorithm  development.    

CERN-12

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

CERN   October  2016   Alessio  Federico  (CERN)  Baldini  Wander  (CERN/INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

"The  upgrade  of  the  LHCb  MUON  Detector  Control  System":  During  the  Long  Shutdown  2  (LS2)  the  LHCb  detector  will  be  upgraded  to  allow  the  efficient  operation  of  the  experiment  at  an  instantaneous  luminosity  five  times  higher  with  respect  to  the  current  conditions.  Both  the  upgraded  detector  readout,  the  readout  control  system  and  ECS  (Experiment  Control  System)  will  use  custom  FPGA-­‐based  PCIe  boards  allowing  bidirectional  optical-­‐link  communication  with  the  front-­‐end  electronics,  with  specific  subdetector's  firmware  developed  on  top  of  a  common  framework.  For  what  concerns  the  ECS  this  new  architecture  will  allow  having  a  much  increased  bandwidth  compared  to  the  current  one,  allowing  a  faster  detector  configuration  and  much  improved  monitoring  capabilities.  This  will  be  done  through  the  use  of  a  common  developed  firmware,  which  satisfies  all  the  sub-­‐detector's  specific  requirements  and  a  common  software  framework,  based  on  WinCCOA.  The  boards  used  for  the  ECS  are  called  SOL40  and  allow  both  a  fast  control  (timing)  and  slow  control  (detector  configuration  and  monitoring)  capabilities.    

The  three  months  project  we  are  presenting  here  will  be  dedicated  to  the  development  of  the  muon  detector  specific  part  of  the  new  ECS.  The  successful  candidate  will  initially  work,  in  collaboration  with  the  LHCb  CERN  experts  on  the  development  of  the  general  software/firmware  infrastructure  with  the  goal  of  allowing  the  write  (detector  configuration)  and  read  (detector  monitoring)  operations  on  the  MUON  detector  front-­‐end  electronics.  This  first  part  will  entail  acquiring  the  necessary  knowledge  of  the  software/firmware  framework  currently  in  use  within  the  upgrade,  the  development  of  a  first  test  project  and  the  development  of  the  MUON  specific  requirements  to  be  integrated  within  the  global  framework.  In  the  second  part  of  this  project  the  candidate  will  work  on  the  development  of  the  muon-­‐specific  part  of  the  ECS  that  will  allow,  at  the  conclusion  of  the  project,  the  first  readout  and  control  tests  of  the  new  muon  readout  (nODE)  and  detector  control  (nSB)  boards  which  are  currently  in  preparation.    

CERN-13

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

CERN   August-­‐September  2016   Micheli  Francesco  (CERN)  Cavallari  Francesca  (CERN/INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

"Beam  test  for  the  upgrade  of  the  electromagnetic  calorimeter  of  the  CMS  experiment  at  CERN":  The  Large  Hadron  Collider  at  CERN  is  the  world's  largest  and  most  powerful  particle  collider.  To  extend  its  discovery  potential,  the  LHC  will  need  a  major  upgrade,  after  2022,  to  increase  its  luminosity  (rate  of  collisions)  by  a  factor  of  10  beyond  the  original  design  value  (from  300  to  3000  fb-­‐1).  This  new  high-­‐luminosity  phase  of  LHC  (HL-­‐LHC)  will  pose  stringent  requirements  on  detector  characteristics  given  the  high  pile-­‐up,  the  high  rates  of  radiation  and  energetic  particle  fluence.  In  particular,  the  identification  and  momentum  measurement  of  high-­‐energy  photons  and  electrons  will  be  particularly  challenging  for  the  actual  calorimetric  systems  of  LHC  experiments.  Since  these  particles  are  crucial  for  measuring  Higgs  boson  properties  and  to  discover  new  particle  beyond  Standard  Model  predictions,  the  CMS  experiment  is  planning  an  upgrade  of  its  Electromagnetic  calorimeter  (ECAL)  to  improve  its  performance  in  such  adverse  experimental  conditions.  This  upgrade  effort  will  focus  on  the  development  of  new  technologies  and  solutions  to  mitigate  the  effects  of  the  increased  pile-­‐up.  In  this  context,  several  beam  tests  will  take  place  at  CERN  SPS  beam  line.  New  components  and  new  possible  crystal-­‐based  technologies  will  be  thoroughly  studied  looking  at  their  response  to  a  beam  of  high-­‐energy  electrons  up  to  200  GeV.  The  selected  student  will  take  part  to  the  preparation  of  the  experimental  setups,  to  data  acquisition  at  the  SPS  beam  line  and  the  data  analysis  of  the  collected  data.      

The  selected  student  will  take  part  to  the  different  phases  of  a  test-­‐beam:  building  of  the  experimental  setup,  data  taking  and  data  analysis.  This  will  include  hardware  work  in  the  lab  or  in  the  SPS  beam  line  and  the  writing  of  software  for  data  taking  and  data  analysis.  A  basic  knowledge  of  C++  programming  and  ROOT  software  is  needed.  Basic  knowledge  of  electronic  technologies  commonly  used  in  experimental  physics  are  required.  At  the  end  of  the  experience  the  student  will  acquire  a  full  expertise  in  setting  up  and  testing  a  new  R&D  project,  with  advanced  skills  in  both  hardware  and  software  field.    

CERN-14

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

CERN   August-­‐October  2016   Cavaliere  Viviana  (CERN)  Roda  Chiara  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

LHC  data  allows  a  very  wide  search  for  new  physics  and  being  in  an  historical  moment  in  which  a  clear  direction  on  where  to  search  is  not  available  it  is  very  important  to  exploit  at  best  all  the  potentiality  of  the  acquired  data  sample.  Searches  for  resonance  in  massive  vector  bosons  with  hadronic  decays  have  recently  started  to  exploit  boosted  signatures  reconstructing  the  high  pT  hadronically  decaying  boson  as  a  single  large  jet  (jet  radius  ~1)  and  using  the  large  jet  sub-­‐structure  to  identify  those  jets  consistent  with  a  two  prong  decay.  In  this  project  we  want  to  explore  the  possibility  to  use  micro-­‐jets  (let  radius  ~0.2)  in  conjunction  with  track-­‐jets  to  better  exploit  these  signatures.  The  high  segmentation  of  the  electromagnetic  calorimeter  section,  which  collects  about  60%  of  the  jet  energy,  should  allow  to  simplify  and  empower  the  search  for  these  boosted  objects.  This  study  will  start  in  a  simplified  scheme  using  truth  jets  to  start  comparing  the  performance  of  the  micro-­‐jet  to  those  of  the  large  jet.  It  will  then  evolve  to  include  detector  effects.  We  will  use  Graviton  or  W'  decaying  to  WW/WZ  as  benchmark  signals.  The  performance  of  the  reconstruction  will  be  judged  based  on  signal  efficiency,  rejection  power  and  mass  resolution.    

Month  1:  learning  data  format  and  content  of  root-­‐ples  to  be  used  for  the  analysis,  reproduce  simple  results  to  understand  the  context  of  the  problem.  Month  2:  Studies  on  large  and  micro  jets  at  truth  level  (no  detector  effects)  for  signal  and  background  processes.  Month  3:  Include  detector  effects.  All  activities  will  be  conducted  with  the  supervision  of  experts  at  CERN.  The  required  skills  are:  basic  knowledge  of  C++  programming  language,  use  of  a  linux  system  and  knowledge  of  the  ROOT  program.  Basic  knowledge  of  python  programming  language  and  bash  scripting  language  would  be  a  plus.    

CERN-15

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

CERN   September-­‐November  2016   Tosi  Mia  (CERN)  Dall'Osso  Martino,  Dorigo  Tommaso  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

“Search  for  Anomalous  Double  Higgs  Production  with  CMS”:  The  program  foresees  the  analysis  of  Run  2  data  collected  by  the  CMS  experiment  in  the  search  for  pair  production  of  Higgs  bosons,  a  rare  process  in  the  SM  (σ(SM,  13  TeV)=38  fb)  which  could  however  be  strongly  enhanced  by  anomalous  values  of  five  couplings  whose  value  is  at  the  time  of  writing  not  well  constrained  by  direct  measurement.  The  group  searches  for  the  HH→bbbb  final  state  in  multijet  data.  Due  to  its  large  branching  fraction  this  is  the  most  sensitive  search  channel.  The  group  foresees  to  produce  a  limit  to  SM  production  in  August;  thereafter,  with  the  help  of  the  student,  we  will  recast  the  search  (by  a  full  re-­‐optimization  of  the  analysis  procedure)  to  exclude  regions  of  the  parameter  space  of  the  anomalous  couplings,  by  considering  12  benchmarks  as  defined  in  a  recent  publication  (A.Carvalho  et  al.,  “Higgs  pair  production:  choosing  benchmarks  with  cluster  analysis”,  J.Inst.  2016  (4)  1-­‐28).  The  recasting  will  involve  a  tuning  of  the  BDT  classifier  to  account  for  the  kinematical  properties  of  the  considered  benchmarks  and  a  study  of  how  the  extracted  limits  propagate  to  the  full  5-­‐dimensional  space  of  model  parameters.      

The  trainee  will  be  closely  followed  in  daily  research  activities  by  the  mentor  (M.  Tosi).  He/she  will  identify,  for  each  benchmark  model,  the  most  promising  kinematical  variables  to  discriminate  the  signal;  then  train  a  BDT  classifier  and  optimize  it;  re-­‐run  the  fit  to  extract  limits;  and  finally  extrapolate  results  to  the  full  model  space.  In  this  activity  the  trainee  will  cooperate  tightly  with  the  other  group  members.  During  the  first  two  weeks  he/she  will  be  trained  to  train  and  test  the  classifier.  In  the  following  two  months  the  trainee  will  optimize  the  classification  for  the  12  benchmarks.  The  last  period  of  internship  will  be  spent  to  extract  limits  on  model  parameters.  The  initial  competences  required  are  familiarity  with  C++  and  root  (python  welcome).  After  the  training  the  student  will  be  at  ease  with  multivariate  analysis  applications  to  high-­‐energy  physics  problems.    

FERMILAB-1

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

FERMILAB   August-­‐December  2016    Gecse  Zoltan  (FNAL)  Meridiani  Paolo  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

"The  CMS  High  Granularity  Calorimeter  at  the  High-­‐Luminosity  LHC":  The  discovery  of  a  Higgs  boson  by  the  CMS  and  ATLAS  Collaborations  represents  a  defining  moment  in  the  history  of  science.  Nevertheless  there  are  still  fascinating  open  questions  in  particle  physics:  what  is  the  nature  of  the  Dark  Matter  in  the  Universe?  Are  there  extra  dimensions  of  space-­‐time?  Why  there  is  more  matter  than  antimatter  in  the  Universe?    In  fact  the  exploration  of  phenomena  beyond  the  Standard  Model  has  just  started.    To  achieve  sensitivity  to  rare  processes,  the  LHC  will  be  upgraded  and  operated  till  ~2035.  The  upgrade  will  allow  the  machine  to  achieve  instantaneous  luminosities  ~7  times  larger  than  the  nominal  one.  To  cope  with  the  unprecedented  collision  rate  with  up  to  200  collisions  per  bunch-­‐crossing,  the  CMS  end-­‐cap  calorimeter  will  be  upgraded.  The  new  detector  is  referred  to  as  High  Granularity  Calorimeter  (HGCAL)  and  has  an  innovative  design  using  silicon  sensors  as  active  material.  The  HGCAL  will  allow  reconstruction  of  particles  with  unprecedented  spatial  resolution.  It  will  also  provide  timing  information  that  will  be  used  to  identify  the  interesting  physics  collision  among  the  ~200  overlapping  ones.  Fermilab  is  currently  contributing  to  the  R&D  of  the  project  and  will  participate  in  the  construction  of  the  detector  during  the  production  phase.    

The  student  will  work  in  close  collaboration  with  post-­‐doctoral  researchers  and  scientists  at  Fermilab  within  the  CMS  collaboration.  The  work  will  consist  of  electrical  and  mechanical  studies  of  the  prototype  modules  being  built  at  Fermilab.  For  example,  the  student  will  use  a  dedicated  station  to  characterize  the  silicon  sensors,  test  modules,  and  will  participate  in  the  development  of  the  data  acquisition  system.  The  student  will  learn  the  fundamentals  of  detector  physics,  electronics,  and  data-­‐acquisition  systems.  The  student  will  use  the  laboratory  instrumentation  including  oscilloscopes,  power  supplies,  LCRs,  etc.  The  software  to  control  the  instruments  is  mainly  developed  using  the  C++  language  and  Labview.  Experience  with  object-­‐oriented  programming  and  electronics  would  be  an  asset.      

FERMILAB-2

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

FERMILAB   August-­‐September  2016   Uplegger  Lorenzo,  Rivera  Ryan  (FNAL)  Moroni  Luigi  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

The  aim  of  this  project  is  the  final  set  up  and  commissioning  of  the  new  telescope  of  silicon  microstrip  detectors  for  beam  track  reconstruction  at  the  Fermilab  Test  Beam  Facility.  The  new  telescope,  which  will  replace  the  old  one  made  of  CMS  pixel  detectors,  consists  of  an  array  of  14  planes,  each  with  640  strips  with  a  length  of  9  cm  and  60  mm  pitch.  This  upgrade  will  allow  for  a  wider  acceptance,  3.84  x  3.84  cm2,  and  a  smaller  error  on  the  track  extrapolation  at  the  detector-­‐under-­‐test-­‐position,  ≈  5  mm.  These  improvements  of  the  tracking  performance  will  be  instrumental  for  the  characterization  of  the  next  generation  of  pixel  detectors,  which  are  now  under  development  for  the  future  High  Luminosity  phase  of  LHC.    

The  activity  required  to  complete  this  project  is  well  suited  for  an  initial  training  of  a  master's  student  in  the  field  of  the  experimental  high-­‐energy  physics.  Starting  from  the  precise  timing  of  the  trigger,  the  data  acquisition  and  the  event  builder  should  be  debugged,  the  track  reconstruction  precision  properly  checked  and  finally  a  detector-­‐under-­‐test,  consisting  of  a  pixel  detector,  fully  characterized.  The  basic  daily  activity  will  therefore  consists  of  code  debugging  and  analysis  of  the  detector  performance.  Knowledge  of  the  present  generation  CMS  pixel  detectors  and  some  experience  with  them  is  required.    

FERMILAB-3

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

FERMILAB   October-­‐December  2016   Murat  Pavel  (FNAL)  Di  Falco  Stefano  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

"Analysis  of  the  Mu2e  calorimeter  prototype  test  beam  and  corresponding  improvement  of  the  calorimeter  simulation  and  analysis  tool":  The  Mu2e  experiment  at  Fermilab  aims  to  discover  the  Charged  Lepton  Flavor  Violation  (CLFV)  by  improving  by  4  orders  of  magnitude  the  current  experimental  sensitivity  for  a  muon  conversion  to  an  electron  in  a  muonic  atom.  A  positive  signal  could  not  been  explained  in  the  framework  of  the  current  Standard  Model  of  particle  interactions  and  would  be  a  clear  indication  of  new  physics.  During  its  3  years  of  data  taking,  Mu2e  is  expected  to  observe  less  than  one  background  event  mimicking  the  electron  coming  from  the  muon  conversion.  Such  level  of  background  suppression  requires  a  deep  knowledge  of  the  experimental  apparatus:  a  straw  tube  tracker  measuring  the  electron  momentum  and  time,  a  cosmic  ray  veto  system  rejecting  most  of  the  cosmic  background  and  a  crystal  calorimeter  that  will  measure  the  time  of  arrival,  the  energy  and  the  impact  position  of  the  converted  electron.  The  current  estimate  of  the  background  level  is  based  on  the  Monte  Carlo  simulation  of  the  experiment.  In  the  fall  2016  a  test  beam  of  a  reduced  scale  prototype  of  the  calorimeter  will  be  performed:  its  results  will  be  used  to  validate  and  improve  the  Monte  Carlo  simulation  and  the  selection  algorithms  based  on  it.    

The  student  is  required  to  start  having  a  basic  ability  of  C++  programming,  an  optional  knowledge  of  ’root’  analysis  program  and  an  academic  knowledge  of  particle  detectors.  During  his/her  stay  at  Fermilab  he/she  will  learn  to  use  the  ’mu2eart’  framework  used  for  the  simulation  and  the  analysis  of  the  Mu2e  experiment.  He/she  will  participate  to  the  Mu2e  weekly  meetings  to  learn  about  the  state  of  the  art  of  the  experiment.  He/she  will  contribute  to  improve  the  calorimeter  simulation  and  analysis  tools,  in  the  light  of  the  calorimeter  test  beam  results,  to  enhance  the  confidence  level  for  the  candidate  conversion  electrons.    

FERMILAB-4

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

FERMILAB   August  2016   Ferrari  Carlo  (FNAL)  Venanzoni  Graziano  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

The  subject  of  this  research  program  is  the    calibration  system  of  the  Muon  g-­‐2  experiment   at   Fermilab.   The   aim  of   the   calibration   system   is   to  monitor   the  SiPM   gain   fluctuations  with   relative   accuracy   at   sub-­‐per  mil   level   to   achieve  the   goal   of   keeping   the   systematics   contributions   to   the   accuracy   on   the  measured  observables  at  0.02  ppm  level.  This   is  a  challenge  for  the  design  of  the   calibration   system  because   the   desired   accuracy   is   at   least   one   order   of  magnitude   higher   than   that   of   all   other   existing,   or   adopted   in   the   past,  calibration  systems  for  calorimetry  in  particle  physics.  The  work  will  consist   in  the  construction  and  testing  of  the  system  under  the  supervision  of  Dr.  Carlo  Ferrari  at  Fermilab.      The  calibration  system  is  made  of  six  lasers  operated  in  pulsed  mode  (405  nm,  1000pj  /  pulse,  10  kHz  rate),  with  source  monitor  double  calibration  (Laser  and  Am  source)  as  a  reference.  A  second  monitor  device  will  control   the  chain  of  laser  pulses  to  the  1330  SIPM  placed  in  the  24  calorimeters  along  the  ring.  The  distribution   system  will   be   placed   in   a   Laser   Hut,   close   to   the   g-­‐2   ring.   The  successful   candidate   will   contribute   to   the   installation   and   assembly   of   the  whole  system.      

The   program   is   a   three-­‐month   stay   at   Fermilab,   from   August   to  October,  consisting  of  three  phases:  August:    Step   1)   Laser   Hut   commissioning:   The   laser   distribution   system  will  be  installed  in  the  laser  Hut;  September:  Phase  2)  Assembly  of  the  calorimeters:  Each  of  the  24  calorimeter  will  be  assembled  with  the  front  panel  of  the  calibration  system  October:  Step  3)  Calorimeter   Installation   in  the  ring:  each  calorimeter  with  his  front  panel  will  be  installed  in  the  g-­‐2  ring  and  connected  with  the  laser  distribution  system  from  the  Laser  Hut.  General   confidence   with   particle   detectors   and   a   skill   towards  hardware  activities   is  a  pre-­‐requisite  of   this  research  program.  At  the   end   of   the   program   the   student   will   have   the   experience   of  participating   in   the   realization   and   commissioning   of   a   modern  elementary  particles  experiment        

KEK-1

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

KEK   September  2016   Gaz  Alessandro,  Matsuoka  Kodai  (KEK)  Torassa  Ezio,  Tamponi  Umberto  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

"Commissioning  of  the  TOP  detector  at  Belle  II  with  cosmic  ray  data":  The  TOP  (time  of  propagation)  is  the  Belle  II  detector  devoted  to  particle  identification  in  the  barrel  region.  It  has  been  fully  installed  in  May  2016,  while  the  main  tracking  device,  the  CDC  (central  drift  chamber)  will  be  installed  in  August  2016.  In  the  Fall  of  2016,  most  of  Belle  II  sub-­‐detectors  will  be  installed  and  operational,  and  an  intense  phase  of  commissioning  with  cosmic  ray  data  will  begin.  Precise  tracking  will  be  provided  by  the  CDC,  while  trigger  inputs  will  be  provided  by  the  ECL  (electromagnetic  calorimeter)  and  the  KLM  (detector  of  KL's  and  muons).  All  the  installed  TOP  modules  will  be  tested  and  characterized  with  cosmic  rays  and  with  the  laser  calibration  system  and  their  performance  will  be  compared  to  the  design  expectations.  Along  that,  a  test  stand  will  be  set  up  to  operate  a  spare  TOP  module.  This  will  be  used  to  monitor  the  long-­‐term  stability  of  the  components  and  test  and  develop  new  firmware  and  data  acquisition  software.    

The  student  will  work,  with  the  help  of  tutors,  on  the  setup  of  the  testing  area.  He/she  will  also  acquire  data,  analyze  them  with  specific  software,  and  look  at  the  results.  The  student  will  learn  how  to  customize  the  data  acquisition  system  and  the  analysis  procedure,  depending  on  the  purpose  of  the  specific  test.  The  required  skills  are  basic  knowledge  of  the  UNIX  operating  system  and  some  familiarity  with  NIM  hardware.  Some  experience  with  the  ROOT  analysis  software  is  desirable.  Program  of  study  or  thesis  in  experimental  high  energy  physics  is  preferred.    

KEK-2

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

KEK   September  2016   Nakamura  K.R.  (KEK)  Forti  Francesco  (INFN)    

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

"Installation  of  the  modules  of  the  Belle-­‐II  Silicon  Vertex  Detector  ":  A  Silicon  Vertex  Detector  (SVD)  is  the  central  part  of  the  tracking  system  of  the  Belle  II  experiment,  crucial  to  perform  a  precise  measurement  of  the  position  of  the  decay  vertices,  with  the  capability  of  reconstruction  of  low  momentum  tracks.    The  SVD  is  composed  of  four  layers  of  300  um-­‐thick  double-­‐sided  silicon  strip  detectors  (DSSD),  covering  the  polar  angle  from  17  to  150  degrees  and  radius  from  39  to  135  mm.  Slanted  trapezoidal  sensors  are  used  in  the  forward  region  to  minimize  the  instrumented  surface  while  still  covering  the  largest  angle,  featuring  modules  with  a  peculiar  lantern  shape.  The  ladder  design,  the  support  structures  and  the  evaporative  CO_2  cooling  system  have  been  optimized  to  get  a  very  low  material  budget.  The  installation  of  the  SVD  modules  on  the  support  cones  presents  several  challenging  aspects:  due  to  the  small  clearance  between  the  layers,  precise  mechanical  tools  have  been  developed  for  safely  mounting  the  modules  by  preventing  any  mechanical  stress;  the  position  of  modules  must  be  surveyed  to  be  used  as  input  for  the  alignment  procedure;  extensive  tests  for  the  electrical  characterization  are  performed  to  assess  that  each  ladder  retains  its  high  performance  in  its  final  position  on  the  whole  support  structure.    

The  student  will  work,  inside  a  team  of  experts  and  assisted  by  a  tutor,  on  the  setup  of  the  mechanical  tools  and  on  the  optimization  of  the  procedures  needed  for  ladder  mounting.  He/she  will  perform  the  electrical  characterization  of  the  ladders  before  and  after  mounting,  by  using  a  test-­‐stand  equipped  with  the  final  DAQ  system  of  the  experiment.    Data  will  be  analyzed  to  perform  a  comparison  with  the  results  obtained  soon  after  the  ladder  construction.    The  required  skills  are  basic  knowledge  of  the  most  popular  operating  systems.  Some  experience  with  the  ROOT  analysis  software  is  desirable.  Program  of  study  or  thesis  in  experimental  high-­‐energy  physics  is  preferred.    

TRIUMF-1

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

TRIUMF   September  2016   Hessey  Nigel,  Stelzer-­‐Chilton  Oliver  (TRIUMF)  Cobal  Marina  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

After  the  discovery  of  a  Higgs  boson  at  the  LHC,  a  so-­‐called  Phase  2  upgrade  has  been  proposed  to  enable  the  LHC  to  operate  at  instantaneous  luminosities  of  5-­‐7E34  1/cm2/s  and  to  provide  up  to  3000/fb  of  data  by  around  2035.  To  take  advantage  of  the  unique  discovery  potential  of  the  high  luminosity  LHC,  the  current  ATLAS  inner  tracking  detector  must  be  replaced.  The  conceptual  design  of  a  new  all-­‐silicon  tracker  (ITK)  is  based  on  4  3D  pixel  and  5  strip  barrel  layers  as  well  as  6  pixel  and  7  strip  disks  on  each  side  of  the  ATLAS  interaction  point.  

 

Contribute  to  prototype  production  of  ATLAS  silicon  strip  detector  modules  using  fully  automatic  wire  bonder;  Setup  of  UV  curing  of  module  assembly;  ITK  module  QC/QA;  Contribute  to  module  placement  setup  with  automatic  gantry;    Analyze  and  characterize  detector  signals  of  new  ITK  modules;  Test  performance,  data  taking  in  high  radiation  environment.  Silicon  detector  operation  and  trouble  shooting  -­‐  High  performance  wire  bonding  -­‐  Knowledge  of  experimental  challenges  related  to  particle  physics  -­‐  Detector  readout  and  data  acquisition  systems  -­‐  Data  analysis  in  experimental  particle  physics    

TRIUMF-2

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

TRIUMF   August-­‐December  2016     Retiere  Fabrice,  Doria  Luca  (TRIUMF)  Collazuol  GianMaria  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

Nowadays  particle  physics  aims  at  unravelling  the  most  fundamental  constituents  of  matter.  Modern  experiments  rely  on  cutting-­‐edge  technology  for  particle  detection  with  unprecedented  resolution.  This  project  represents  an  excellent  opportunity  for  dealing  with  advanced  detector  technology  based  on  novel  silicon  photo-­‐multipliers  (SiPM).  In  particular,  applications  include  accelerator-­‐based  experiments  like  NA62  at  CERN  (calorimeter  and  RICH  detector  upgrades)  as  well  as  astro-­‐particle  physics  experiments  such  as  nEXO  at  SNOlab.  The  project  involves  the  development  of  novel  SiPMs  for  particle  physics  applications  requiring  photo-­‐sensitive  areas  larger  than  10mm2.  The  Fondazione  Bruno  Kessler  (FBK,  Trento  -­‐  Italy)  recently  produced  new  1x1cm2  SiPMs  sensitive  all  the  way  down  to  vacuum  ultra-­‐violet  wavelengths.  These  new  SiPMs  will  be  delivered  to  TRIUMF  in  June  2016.  They  have  to  be  fully  characterized  including  measuring  their  efficiency  from  170nm  to  600nm,  their  dark  noise  and  correlated  avalanche  rates  from  room  temperature  to  -­‐100C.  In  addition,  a  dedicated  electronics  system  will  be  required  to  keep  the  electronics  noise  well  below  one  photo-­‐electron  equivalent.      

The  student  will  be  responsible  for  the  characterization  of  the  1x1cm2  SiPMs  from  FBK  using  the  characterization  setup  at  TRIUMF.  The  setup  has  already  been  used  for  testing  other  SiPMs.  However,  so  far  only  smaller  (3x3  or  6x6mm2)  SiPMs  have  been  tested  and  the  new  challenge  will  be  in  the  electronics  system.  The  student  is  not  expected  to  develop  the  electronics  but  as  the  primary  user,  he/she  will  work  on  the  characterization  of  the  electronics  performances  possibly  requesting  improvements.  The  end  goal  of  the  project  is  a  draft  paper  outlining  the  performances  of  the  new  FBK  SiPM.  The  student  will  be  encouraged  to  contribute  in  writing  the  paper.  Summary  of  knowledge  acquired  during  the  project:    Particle  detectors  and  photo-­‐detectors,  including  solid-­‐state  physics.  Laboratory  skills  (operation  of  various  instruments).  Low  noise  analog  electronics.  Programming,  in  particular  waveform  processing.    

TRIUMF-3

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

TRIUMF   August-­‐November  2016   Fujiwara  Makoto  C.,  Amaudruz  Pierre  (TRIUMF)  Stracka  Simone  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

The  ALPHA/AD-­‐5  experiment  (Antihydrogen  Laser  PHysics  Apparatus)  at  CERN's  AD  is  a  leading  experiment  in  the  study  of  confined  antihydrogen  (atomic  state  of  antiproton  and  positron).  The  ALPHA  group  in  TRIUMF  applies  particle  physics  techniques  to  the  characterization  of  the  spectroscopic  and  gravitational  properties  of  antimatter,  aiming  to  tests  of  CPT  and  of  the  weak  equivalence  principle  by  means  of  a  precise  comparison  with  hydrogen.  At  present,  ALPHA  primarily  relies  on  a  silicon-­‐strip  barrel  detector  for  imaging  the  main  signatures  in  the  experiment,  i.e.,  antihydrogen  annihilation  events  occurring  in  a  ~30  cm  long  confinement  region.  In  the  near  future,  the  confinement  region  will  be  extended  considerably  to  allow  for  the  systematic  study  of  the  gravitational  behaviour  of  antihydrogen,  and  the  silicon  detector  will  be  replaced  with  a  2-­‐m  long  time  projection  chamber  (TPC)  which  is  currently  being  designed  at  TRIUMF.  A  first  prototype  and  the  associated  DAQ  system  are  being  built  starting  in  summer  2016.  The  student  will  join  the  TRIUMF  group  in  Vancouver  (Canada)  and  participate  in  several  aspects  of  TPC  design  and  prototyping  work.  In  particular  he/she  will  contribute  to  the  DAQ  and  particle  tracking  software.  Analysis  of  data  collected  by  the  ALPHA  experiment  is  also  possible.    

The  student  collaborates  in  developing  the  prototype's  DAQ  system  and  analysis  software.  He/she  participates  in  data  taking  with  the  prototype  detector,  and  helps  optimize  the  signal  processing  of  raw  data,  to  develop  strategies  for  the  full-­‐size  TPC.  Depending  on  her/his  interests,  she/he  then  either  characterizes  the  performances  of  event-­‐reconstruction  algorithms  -­‐exploring  possible  improvements  in  resolution,-­‐  or  studies  applications  of  machine-­‐learning  techniques  to  the  analysis  of  simulated  events  and  real  data  from  current  apparatus.  He/she  can  also  participate  in  the  construction  of  the  full-­‐size  TPC,  gaining  hardware  experience.  Recommended  skills:  Unix,  C++,  ROOT.  Acquired  skills:  DAQ  (MIDAS),  VHDL,  GEANT4,  data  analysis.    

TRIUMF-4

Hosting  Laboratory   Available  starting  date   Contact  person(s)  

TRIUMF   September-­‐October  2016   Marchetto  Marco  (TRIUMF),                                                  Zotto  Pierluigi  (INFN)  

 

Scientific  program   Daily  activity,  skills  required  and  to  be  acquired  

The  new  ARIEL  facility  at  TRIUMF  includes  a  high  resolution  separator  (HRS)  for  the  selection  of  rare  isotope  beams  (RIB).  The  resolving  power  depends,  among  other  factors,  on  the  quality  of  the  magnetic  field  integral  within  the  so-­‐  called  good  field  region  (the  area  of  the  magnet  where  the  beam  will  travel  and  where  the  field  must  be  of  the  highest  quality).  Specifically  the  longitudinal  field  integral  has  to  be  within  few  parts  per  millions  for  different  trajectories.  A  magnet  that  satisfies  the  ARIEL  HRS  field  integral  requirements  has  been  designed  and  it  is  now  in  the  fabrication  stage.  Once  the  magnet  is  built,  it  needs  to  be  characterized  by  measuring  the  integral  field.  Current  methods  using  a  Hall  or  a  NMR  probe  cannot  yield  the  desire  result.  A  Hall  probe  can  only  achieve  a  resolution  of  10-­‐4,  while  a  NRM,  even  though  capable  of  achieving  10-­‐6,  can  only  operate  in  a  region  of  uniform  field  hindering  from  the  possibility  of  characterizing  the  fringe  field  of  the  magnet.  Such  a  measurement  requires  therefore  the  development  of  a  dedicated  apparatus  and  measurement  technique.  A  proof  of  principle  has  already  been  established  but  further  development  is  necessary  to  reach  the  desired  accuracy.  The  goal  is  to  define  the  final  apparatus  before  the  HRS  magnet  is  delivered  to  TRIUMF  (expected  early  2017).  

The  candidate  will  be  required  to  interact  on  a  daily  basis  with  the  beam  physics  group    in  the  accelerator  division  as  well  as  the  various  group  in  the  engineering  division  such  as  Control,  Electronics,  Mechanical  and  Design  Office.  The  candidate  will  become  familiar  with  the  magnetic  field  simulation  code  OPERA®,  the  reference  code  in  the  field,  and  potentially  with  other  3D  design  codes  such  as  SOLIDWORKS®.  Hands  on  skills  are  expected  since  the  candidate  will  have  to  set  up  the  apparatus  and  conduct  the  integral  field  measurements.  The  measurement  results  will  have  to  be  interpreted  and  presented  during  the  weekly  beam  physics  group  meeting  for  discussion  so  the  candidate  will  have  to  demonstrate  analysis  and  communication  abilities.  A  final  report  is  expected.  The  project  should  consolidate  the  candidate  knowledge  in  experimental  physics,  magnetic  field  simulations,  and  data  analysis.