Laboratorio computazionale di particelle, astroparticelle e interazioni fondamentali
A.A. 2025/2026
Obiettivi formativi
L'insegnamento fornisce un'introduzione agli strumenti utilizzati per l'estrazione del segnale dal fondo e lo studio delle incertezze sistematiche per la determinazione dei parametri in esperimenti di fisica delle particelle e delle astroparticelle, e il successivo confronto con modelli fenomenologici attraverso il calcolo dei limiti di scoperta ed esclusione, usando esempi concreti legati ad esperimenti in corso e futuri.
Risultati apprendimento attesi
Al termine dell'insegnamento lo studente:
- saprà utilizzare strumenti di simulazione di processi fisici nell'ambito dello studio delle interazioni fondamentali;
- conoscerà le tecniche di identificazione di particelle ricostruite negli eventi simulati;
- saprà pianificare un'analisi per l'estrazione di un segnale dal fondo, con particolare attenzione alle problematiche e alle incertezze sistematiche legate alla ricostruzione e all'identificazione di particelle;
- conoscerà le tecniche statistiche e di analisi dati per identificare eventi di segnale, anche sub-dominanti rispetto al fondo, o porre limiti superiori in caso di mancata identificazione;
- conoscerà esempi di analisi dati in esperimenti attuali di fisica delle particelle e delle astroparticelle;
- saprà riconoscere gli aspetti critici nella progettazione di esperimenti futuri.
- saprà utilizzare strumenti di simulazione di processi fisici nell'ambito dello studio delle interazioni fondamentali;
- conoscerà le tecniche di identificazione di particelle ricostruite negli eventi simulati;
- saprà pianificare un'analisi per l'estrazione di un segnale dal fondo, con particolare attenzione alle problematiche e alle incertezze sistematiche legate alla ricostruzione e all'identificazione di particelle;
- conoscerà le tecniche statistiche e di analisi dati per identificare eventi di segnale, anche sub-dominanti rispetto al fondo, o porre limiti superiori in caso di mancata identificazione;
- conoscerà esempi di analisi dati in esperimenti attuali di fisica delle particelle e delle astroparticelle;
- saprà riconoscere gli aspetti critici nella progettazione di esperimenti futuri.
Periodo: Secondo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento può essere seguito come corso singolo.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Programma
Modulo 1 - Generatori MonteCarlo
Generazione automatica di ampiezze di scattering tramite calcolo di diagrammi di Feynman. Basi di integrazione numerica multi-dimensionale. Integrazione adattiva e multi-channel. Generazione di eventi, differenza tra eventi con e senza peso. Simulazione di processi di scattering di rilevanza ai collisionatori. Parton shower, basi di funzionamento. Utilizzo dei software MadGraph e Pythia risolvendo specifici esercizi.
Modulo 2 - Dalla simulazione degli eventi alla ricostruzione e identificazione degli oggetti
Simulazione della risposta del rivelatore tramite pacchetti veloci di simulazione. Struttura e utilizzo delle detector cards in Delphes. Ricostruzione di tracce, elettroni, muoni, jet e energia trasversa mancante. Efficienze di ricostruzione e tassi di fake. Confronto tra oggetti generator-level e ricostruiti. Analisi di distribuzioni cinematiche ed effetti delle risoluzioni strumentali. Utilizzo del software Delphes risolvendo specifici esercizi.
Modulo 3 - Statistica
Introduzione ai concetti di P-value, chance coincidence probability. Significatività statistica, null hypothesis, intervallo di confidenza e calcolo di upper/lower limits e plot di esclusione.
Modulo 4 - Analisi HEP
Progettazione di un'analisi completa nell'ambito della fisica delle alte energie al Large Hadron Collider con dati reali dell'esperimento ATLAS. Selezione del segnale e reiezione del fondo tramite definizione di regioni di analisi (signal, control e validation regions). Studio delle distribuzioni cinematiche e costruzione di variabili discriminanti per massimizzare la sensibilità. Stima dei contributi di fondo.
Modulo 5 - Analisi Astroparticles
Analisi completa dal detector level a conclusioni astrofisiche con dati reali dell'Osservatorio Pierre Auger (raggi cosmici di energia estrema). Esempi di strategie di analisi dati per ricerca di eventi rari (neutrini solari, dark matter, paleo-detectors).
Generazione automatica di ampiezze di scattering tramite calcolo di diagrammi di Feynman. Basi di integrazione numerica multi-dimensionale. Integrazione adattiva e multi-channel. Generazione di eventi, differenza tra eventi con e senza peso. Simulazione di processi di scattering di rilevanza ai collisionatori. Parton shower, basi di funzionamento. Utilizzo dei software MadGraph e Pythia risolvendo specifici esercizi.
Modulo 2 - Dalla simulazione degli eventi alla ricostruzione e identificazione degli oggetti
Simulazione della risposta del rivelatore tramite pacchetti veloci di simulazione. Struttura e utilizzo delle detector cards in Delphes. Ricostruzione di tracce, elettroni, muoni, jet e energia trasversa mancante. Efficienze di ricostruzione e tassi di fake. Confronto tra oggetti generator-level e ricostruiti. Analisi di distribuzioni cinematiche ed effetti delle risoluzioni strumentali. Utilizzo del software Delphes risolvendo specifici esercizi.
Modulo 3 - Statistica
Introduzione ai concetti di P-value, chance coincidence probability. Significatività statistica, null hypothesis, intervallo di confidenza e calcolo di upper/lower limits e plot di esclusione.
Modulo 4 - Analisi HEP
Progettazione di un'analisi completa nell'ambito della fisica delle alte energie al Large Hadron Collider con dati reali dell'esperimento ATLAS. Selezione del segnale e reiezione del fondo tramite definizione di regioni di analisi (signal, control e validation regions). Studio delle distribuzioni cinematiche e costruzione di variabili discriminanti per massimizzare la sensibilità. Stima dei contributi di fondo.
Modulo 5 - Analisi Astroparticles
Analisi completa dal detector level a conclusioni astrofisiche con dati reali dell'Osservatorio Pierre Auger (raggi cosmici di energia estrema). Esempi di strategie di analisi dati per ricerca di eventi rari (neutrini solari, dark matter, paleo-detectors).
Prerequisiti
* Fondamenti di fisica delle particelle e delle astroparticelle (conoscenza base del Modello Standard).
* Conoscenze di base di statistica e probabilità.
* Nozioni di programmazione.
* Conoscenze di base di statistica e probabilità.
* Nozioni di programmazione.
Metodi didattici
L'insegnamento si articola in lezioni frontali e sessioni di laboratorio calcolo.
La frequenza è obbligatoria.
La frequenza è obbligatoria.
Materiale di riferimento
Trasparenze delle lezioni ed altro materiale che verrà distribuito durante le lezioni e sarà disponibile sul sito ARIEL dell'insegnamento.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
La valutazione avviene mediante un voto in trentesimi e consiste in una prova pratica svolta in autonomia con una successiva prova orale volta a verificare la comprensione metodologica e l'autonomia nello svolgimento di analisi sperimentali.
FIS/04 - FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE - CFU: 6
Laboratori: 48 ore
Lezioni: 14 ore
Lezioni: 14 ore
Docente/i
Ricevimento:
Su appuntamento via e-mail
III piano edificio LITA, metà corridoio a destra (di fronte al locale stampanti)
Ricevimento:
su appuntamento
Stanza A/4/C9 (IV piano edificio LITA)