Attività Scientifica di Matteo Sassi

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1 Attività Scientifica di Matteo Sassi Attività Scientifica Ho conseguito la Laurea in Fisica e il Dottorato di Ricerca in Fisica, Astrofisica e Fisica applicata presso l'università degli studi di Milano, nel 2003 e 2008, rispettivamente. Dal 2003 al 2008 ha ricoperto differenti posizioni di borsista: prima presso l'università degli studi di Milano, poi presso INFN ed infine ha collaborato a nell'ambito del progetto EURONS. L'attività di ricerca si è concentrata sullo studio dell'acquisizione digitale a campionamento applicata all'analisi in forma dei segnali provenienti da rivelatori allo stato solido e scintillatori. Durante la mia attività di ricerca ho partecipato alla collaborazione CHIMERA ed al progetto EURONS. Sono inoltre co-autore di 8 articoli su riviste internazionali (principalmente IEEE Transaction e Nuclear Instrument Methods) e più di 20 pubblicazioni su atti di congressi internazionali e ho contribuito alla raccolta dati di 11 articoli pubblicati su rivista internazionali nell'ambito della collaborazione CHIMERA. Qui a seguito intendo illustrare le peculiarità della mia attività scientifica. TESI di LAUREA Il lavoro di tesi è consistito nella definizione di una macchina astratta ad oggetti che rispondesse alle linee guida adottate dalle agenzie spaziali per il progetto di architetture di calcolo adatte ad essere integrate con la strumentazione scientifica imbarcata su satelliti o palloni. Analizzando le linee guida delle agenzie spaziali si evince che la necessità della riduzione dei costi ha imposto una politica di riutilizzo che si traduce: nell'impiego di componenti elettronici disponibili sul mercato (Component Off Che Shelf, COTS); nell'orientamento verso i sistemi software aperti (open source) e nel riuso di sistemi, sottosistemi e librerie di componenti già sviluppate in precedenti missioni. Nel corso del lavoro di tesi si è definita una macchina astratta utilizzabile come elemento di elaborazione ed interfaccia in un Sistema Integrato, (SoC), che sia estendibile e adattabile alle esigenze di diverse missioni e che sia aggiornabile con 1'evoluzione tecnologica. Il lavoro si è inizialmente concentrato sull'individuazione e lo studio di un linguaggio di programmazione a oggetti sostenuto da una teoria formale adatta a trattare gli oggetti e che costituisca 1'insieme di regole necessarie per attuare la computazione. Questo ha fornito una profonda conoscenza dei meccanismi propri della programmazione ad oggetti. Il ς-calculus dà 1'insieme di regole base per 1/8

2 attuare le operazioni fornendo la semantica operazionale di un linguaggio ad oggetti puro. È stato definito POLC (Pure Object Language Core) un linguaggio proprietario per la macchina astratta proposta e estraendo dal C++ un nucleo di strutture e istruzioni. Il lavoro è proseguito con la definizione di una macchina astratta ObAM (Object Abstract Machine) che avesse POLC come linguaggio macchina. Una macchina astratta è un modello di macchina alla quale sono associate un insieme di regole che, in modo esatto e sistematico, permettono 1'attuazione di uno o più procedimenti senza la necessità di interventi creativi dell'esecutore.la macchina ObAM è costituita da un insieme di oggetti sistema che realizzano le funzionalità base del Sistema operativo, da una n- tupla di prototipi di oggetto, che sono caratterizzati dalla semantica operazionale del ς-calculus, e da un opportuno apparato di interconnessione tra gli elementi della macchina. Gli oggetti sono pensati come entità in grado di evolversi in modo autonomo e concorrente. Gli oggetti sistema possiedono i metodi per effettuare il caricamento dei programma, di controllarne 1'attivazione ed i vari stati di esecuzione. ObAM racchiude quindi le principali funzioni di un sistema operativo: caricamento delle applicazioni (loading), esecuzione dei programmi (executing), trasmissione dei messaggi (dispatching) e organizzazione delle priorità di esecuzione dei programmi (scheduling). Gli oggetti disponibili sono tutti identici e vengono personalizzati dinamicamente durante 1'esecuzione. In questo modo si ottiene un'architettura aperta che a seconda del numero di oggetti disponibili e della rete di connessione permette di coprire una vasta gamma di esigenze applicative e di prestazioni. È dunque possibile utilizzare questa macchina come elemento di elaborazione e di interfaccia sia in un SoC sia su di una rete di calcolatori. La regolarità dell'architettura permette inoltre 1'introduzione di tecniche di tolleranza di guasti, sia software sia hardware, senza alterare l'architettura. Nel corso del lavoro di tesi è stato sviluppato un simulatore software dell'architettura utilizzando il C++ Builder della Borland, compilatore C++ sotto Windows. Inoltre La formazione ricevuta durante il periodo di tesi si è concentrata sullo sviluppo di schede elettroniche basate su tecnologia FPGA ed in particolare sulle tecniche di progettazione di circuiti elettronici che rispondessero ai requisiti di correttezza ed affidabilità. Successivamente alla tesi la mia attività scientifica si è concentrata sul perfezionare il linguaggio di programmazione ad oggetti puro sviluppato. Tale lavoro è stato presentato in [ACT18]. ATTIVITÁ DI RICERCA L attività di ricerca avvenuta dopo il conseguimento della laurea è stata svolta in quattro differenti ambiti: 2/8

3 Borsa di studio per giovani promettenti presso l'università degli Studi di Milano, dipartimento di Fisica; Borsa di studio per neolaureati presso Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, sezione di Milano; Scuola di Dottorato in Fisica, Astrofisica e Fisica Applicata presso il dipartimento di fisica dell'università degli Studi di Milano; Collaborazione a contratto presso Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, sezione di Milano nell'ambito del progetto EURONS. Durante questi anni di ricerca la mia attività si è concentrata su differenti tematiche, la maggior parte di esse è divenuta oggetto della mia tesi di dottorato [RR42]: Sviluppo di architetture di sistemi di acquisizione dati per gli esperimenti di fisica nucleare; Acquisizione digitale in forma applicata a: 1. telescopi di rivelatori per l identificazione di prodotti carichi di reazione; 2. scintillatori per l'identificazione di prodotti carichi di reazione; 3. rivelatori al germanio iperpuro per la caratterizzazione della forma del segnale; Misure di fisica nucleare. Sviluppo di architetture di sistemi di acquisizione dati e Inizialmente la ricerca è stata svolta utilizzando un modulo processore embedded (VP7 Pentium III 700MHz) funzionante su bus VME e sfruttato come controllore di convertitori analogico-digitali a campionamento (SADC) per effettuare la gestione dell'acquisizione dei segnali provenienti dall'amplificatore formatore associato alla catena di acquisizione dello Ioduro di Cesio (CsI(Tl)) dell'apparto sperimentale i CHIMERA. Il sistema effettuava l'acquisizione in linea della forme d'impulso acquisite ed effettuava la presentazione dei risultati su un calcolatore collegato al processore embedded attraverso una scheda Ethernet a 100MB/s[ACT1]. Successivamente si è iniziato a sviluppare un'architettura di calcolo che permettesse l acquisizione in tempo reale dei dati provenienti da un insieme di telescopi di CHIMERA basata sull'utilizzo di un bridge PCI-VME che permette l'interfaccia tra il cestello VME, contenente fino a 20 SADC, ed un comune bus PCI di un PC [COMM2]. La mia attività di ricerca si è quindi concentrati sulla realizzazione di un sistema che permettesse l'acquisizione e l'analisi in linea della forma dei segnali provenienti dalla rivelatori per la fisica nucleare al fine di identificare le particelle provenienti da reazioni nucleari. 3/8

4 Tale lavoro è stato realizzato distribuendo la gestione dei SADC e il carico computazionale su una rete di calcolatori realizzata ad hoc. Tale sistema sfrutta diversi calcolatori connessi con una rete Gigabit. Un supervisore gestisce le schede di acquisizione e invia le forme degli impulsi alle unita computazionali. Queste unità calcolano in linea i parametri necessari per l identificazione della particelle e li inviano ad una stazione grafica. Tale sistema è stato progettato come una insieme di oggetti distribuiti sulla rete. Il sistema è stato sviluppato in C++ utilizzando le librerie di ROOT per l implementazione dell interfaccia grafica. Il sistema è stato realizzato sotto LINUX. Tale sistema vuole essere un prototipo di sistema di acquisizione basato sul campionamento in forma dei segnali per un multi-rivelatore a 4Π e può essere adattato a diverse esigenze sperimentali [COMM26], [COMM28], [RR35]. Durante questa attività di ricerca mi sono inoltre dedicato allo studio dell utilizzo della nuova generazione di calcolatori applicati all apparato di monitoraggio e pre-analisi per il multi-rivelatore CHIMERA basata sull impiego di una legge di potenza che permette la linearizzazione delle matrici ( E,E) [COMM15],[COMM16],[RR24]. Acquisizione digitale in forma applicata a telescopi di rivelatori per l identificazione di prodotti carichi di reazione Nel corso della mia attività di ricerca mi sono concentrato sullo studio dell'applicazione dell'analisi digitale della forma (DPSA Digital Pulse Shape Analisys) campionando il segnale direttamente dal preamplificatore di carica. Si è dunque verificata la possibilità di applicare questo metodo ad un intero telescopio di CHIMERA. Questo ha permesso di ottenere l identificazione in carica i prodotti di reazione e l identificazione isotopica dei prodotti leggeri [COMM3],[COMM4],ACT6],[ACT7], [RR9],[[RR37],[COMM29], [RR42]. Successivamente l attività di ricerca si è concentrata sullo sviluppo di un algoritmo di identificazione in carica per i segnali provenienti dai prodotti di reazione che si arrestano nei rivelatori al silicio. È infatti noto, sin dai primi anni 60, che le particelle che si arrestano nel silicio generano un impulso che ha un tempo di salita che varia con la sua carica. È stato sviluppato uno specifico algoritmo per la ricostruzione del fronte dell impulso e la determinazione del tempo di salita dello stesso. I risultati ottenuti con l acquisizione digitale applicata ad un rivelatore al silicio montato in configurazione rovesciata mostrano la possibilità di identificare in carica tali prodotti [COMM12],[COMM13],[ACT17]. Si è dunque esplorata, per la prima volta, la possibilità di 4/8

5 identificare in carica le particelle che si arrestano nel silicio utilizzando la ricostruzione digitale del fronte di salita e il silicio montato nella configurazione originale. Questo ha permesso di mostrare inequivocabilmente la possibilità di effettuare l identificazione in carica dei prodotti di reazione che si arrestano in rivelatori al silicio di grande area montati nella configurazione originale [RR37]. Ho quindi collaborato all'attività di ricerca, progettazione, sviluppo e verifica di un nuovo modulo analogico per l'identificazione in carica delle particelle che si arrestano nel rivelatore al silicio di CHIMERA [COMM10], [COMM14],[COLL23], [COMM32],[COLL34]. Le tecniche digitali permetto inoltre un analisi approfondita della forma del segnale e quindi la possibilità di ottenere informazioni riguardanti la forma degli impulsi provenienti dai rivelatori al CsI(Tl). Gli studi hanno permesso di ottenere informazioni precise sui valori tipici di queste componenti e sviluppare un sistema automatico, basato sulle reti neurali, per identificare inequivocabilmente le particelle leggere [COMM31]. Infine, la disponibilità di SADC di nuova generazione (2GS/s, 12bit), ha permesso lo studio della tecnica di identificazione basata sulla misura del Tempo di Volo (Time of Flight - ToF). Nel caso di CHIMERA, questa misura avviene utilizzando come segnale di START del ToF, il segnale proveniente dal rivelatore al silicio, mentre lo STOP viene misurato utilizzando un segnale ricavato dalla Radiofrequenza del Ciclotrone. In questa situazione, per effettuare misure di massa, occorre tuttavia avere fasci dotati di una buona risoluzione temporale, in altre parole la larghezza temporale del burst di particelle deve essere molto ridotta. Inoltre occorre minimizzare gli errori di misura dei tempi al fine di ottenere la migliore risoluzione temporale possibile. I risultati di questa attività sono stati anch essi presentati a conferenza. In questa occasione si è mostrata la possibilità di identificare particelle fino a massa 24 utilizzando rivelatori al silicio di grande area (~25 cm 2 ),,[COMM25], [COMM27], [COMM29],[COMM30]. Inoltre, nel tentativo di incrementare la frequenza di campionamento, si è sviluppata un circuito molto semplice ed un insieme di sofisticati algoritmi che permettono l incremento della frequenza di campionamento finora utilizzata da 100Msample/s fino ad un massimo 1.6Gsample/s [COMM33]. 5/8

6 Acquisizione digitale in forma applicata a scintillatori per l identificazione di prodotti carichi di reazione La discriminazione di particelle è un aspetto molto importante in molti esperimenti di fisica alla energie basse ed intermedie. Alcuni esperimenti usano la discriminazione delle particelle per investigare la multiframmentazione del nucleo, altri per separare i prodotti di reazione e selezionare solamente i nuclei che emeotto raggi gamma. Gli incoraggianti risultati dell'applicazione della DPSA ai telescopi di CHIMERA, mi ha portato ad estendere i miei studi alla famiglia degli scintillatori che sono largamente utilizzati negli esperimenti alle basse energie. In particolare il mio interesse si è rivolto a scintillatori al Fluoruro di Bario (BaF2), Phoswitch e al Bromuro di Lantanio (LaBr3) applicando le mie tecniche sia ad esperimenti con fascio che a test di laboratorio con sorgenti. I test sono stati effettuati utilizzando SADC di ultima generazione come il V1729 che permette un campionamento a 2GS/s con una risoluzione di 12 bit. Ho provato ad effettuare l'analisi delle forme degli impulsi di un LaBr3 utilizzando Lecroy 7300A digital oscilloscope allo scopo di analizzare la dipendenza della forma in funzione della tipologia di radiazione incidente. Nella mia attività di ricerca sono riuscito a mostrare come sia possibile ottenere una chiara identificazione delle particelle leggere (LCP identification) nei BaF2 utilizzando la radioattività intrinseca del rivelatore ed acquisendo le forme d'impulso direttamente dall'anodo del fotomoltiplicatore in modo da ridurre la catena di acquisizione. L'applicazione dei miei studi ai rivelatori NE102A-BaF2 phoswich in esperimenti con fascio mostra la possibilità di identificare in carica i prodotti di reazione fino a Z = 51 e mostra un ottima discriminazione delle particelle leggere utilizzando la tecnica del tempo di volo. Ho anche studiato la forma degli impulsi in un cristallo 1 x1 di LaBr3 nella regione di energie coperta dalla radioattività intrinseca del cristallo. Inizialmente abbiamo effettuato una discriminazione delle particelle α, β, e γ mettendo a punto un sistema di misurazione specifico [RR46]. Successivamente mi sono dedicato all'analisi della forma degli impulsi acquisiti. Questo studio mostra che, in quella regione, la forma degli impulsi generati dalle particelle α, β, e γ non è distinguibile e che quindi non è possibile utilizzare questi scintillatori, caratterizzati da un ottima risoluzione energetica, per effettuare PSD alle bassissime energie [RR42], [COMM44]. Ho infine effettuato uno studio di fattibilità al fine di caretterizzare i rivelatori al bromuro di lantanio per applicazioni di timing. Lo studio ha mostrato che è poossibile utilizzare questi rivelatori per misure del tempo di volo con ottimi risultati anche utilizzando un frequenze di 6/8

7 campionamento di 200MSample/s nettamente inferiori a quelle necessarie per i rivelatori al Fluoruro di Bario. Acquisizione digitale in forma applicata a rivelatori al germanio iperpuro per la caratterizzazione della forma del segnale; Nell'ambito del progetto EURONS ho infine applicato i miei studi sull'acquisizione digitale in forma a rivelatori al germanio iperpuro (HPGe) al fine di studiare la dipendenza della forma dell'impulso generato dalla radiazione gamma nel rivelatore. L'individuazione di tale posizione è fondamentale nella ricostruzione di come un raggio gamma interagisce in un rivelatore. In rivelatori come AGATA un raggio gamma difficilmente deposita tutta la sua energia in un unico rivelatore. È quindi fondamentale ricostruire la traccia gamma e tutte le iterazioni che il singolo raggio gamma ha avuto con il rivelatore al fine di determinare con precisione l'energia e l'angolo iniziale del raggio gamma. In questi esperimenti è quindi necessario effettuare una scansione accurata di ciascun rivelatore per caratterizzare la forma degli impulsi in modo da costruire una banca dati che permetta di ricostruire la posizione dell'interazione. Nella mia attività di ricerca ho dunque contribuito a progettare un sistema che permettesse di effettuare la scansione di rivelatori al germanio utilizzando la DPSA e a validarne l'efficacia. Per fare questo abbiamo utilizzato una sorgente di 137Cs da 438MBq estremamente collimata. I risultati ottenuti permettono di effettuare una scansione completa di un rivelatore al germanio segmentato di AGATA in meno di una settimana riducendo drasticamente i tempi di messa in funzione del rivelatore [RR45]. Misure di fisica nucleare Nel corso della mia attività di ricerca ho partecipato a diverse misure di fisica nuclerare in esperimenti internazionali. La maggior parte delle misure a cui ho partecipato sono state effettuate con il multirivelatore CHIMERA (LNS), operativo nella sua configurazione finale dal Tale rivelatore permette l identificazione delle particelle leggere e dei frammenti pesanti usando tre tecniche di rilevazione: ΔE-E, ΔE-ToF e FAST-SLOW. I recenti risultati mostrano alcune proprietà di rottura dei proiettili nelle reazioni 124Sn + 64Ni a 35MeV/nucleone. In particolare la distribuzione di carica e la velocità dei frammenti simili a proiettile è stata misurata. La scala temporale del processo è stata stimata ed è stato mostrato che il processo è comunque sequenziale ma più veloce dell ordinaria fissione. È stata inoltre studiata la produzione di frammenti di massa intermedia (IMF) nelle collisioni periferiche delle reazioni 124Sn + 64Ni e 112Sn + 58Ni a 35MeV/nucleone e discussa l evoluzione dei parametri di isoscaling dalle collisioni semiperiferiche 7/8

8 a quelle centrali [COLL8],[COLL11],[COLL20],[COLL21],[COLL22],[COLL36],[COLL38], [COLL39],[COLL41]. Inoltre ho partecipato alla fase di raccolta dati dell esperimento TRARE, presso il Maier-Leibnitz Laboratorium della Technische Universität München e Ludwig-Maximilians-Universität München a Garching (Monaco Germania). In questa occasione sono state studiate le reazioni 88 Sr(p,α) 85 Rb e 44 Ca(p,α) 41 Kr a 24.6 MeV. Tali misure sono devote allo studio degli stati omologhi nella regione di massa A 40 ([ACT5], [ACT19]). 8/8