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A comparative study of reconstruction methods for neutron tomography
(Università della Calabria, 2020-01-24) Micieli, Davide; Carbone, Vincenzo; Gorini, Giuseppe; Tassi, Enrico
Neutron tomography is a well established technique to non-destructively investigate the inner structure of a wide range of objects. The main disadvantages of this technique are the time-consuming data acquisition, which generally requires several hours, and the low signal to noise ratio of the acquired images. One way for decreasing the total scan time is to reduce the number of radiographs. However, the Filtered Back-Projection, which is the most widely used reconstruction method in neutron tomography, generates low quality images affected by artifacts when the number of projections is limited or the signal to noise ratio of the radiographs is low. This doctoral thesis is focused on the comparative analysis of different reconstruction techniques, aimed at finding the data processing procedures suitable for neutron tomography that shorten the scan time without reduction of the reconstructed image quality. At first the performance of the algebraic reconstruction methods were tested using experimental neutron data and studied as a function of the number of projections and for different setups of the imaging system. The reconstructed images were quantitatively compared in terms of image quality indexes. Subsequently, the recently introduced Neural Network Filtered Back-Projection method was proposed in order to reduce the acquisition time during a neutron tomography experiment. This is the first study which proposes and tests a machine learning based reconstruction method for neutron tomography. The Neural Network Filtered Back-Projection method was quantitatively compared to conventional reconstruction algorithms used in neutron tomography. Finally, we present NeuTomPy, a new Python package for tomographic data processing and reconstruction. NeuTomPy is a cross-platform toolbox ready to work with neutron data. The first release of NeuTomPy includes pre-processing algorithms, a wide range of classical and state-of-the-art reconstruction methods and several image quality indexes, in order to evaluate the reconstruction quality. This software is free and open-source, hence researchers can freely use it and contribute to the project.
Measurement of isolated-photon plus jet production in pp collisions at √s=13 TeV with the ATLAS detector at the LHC
(2018-04-19) Callea, Giuseppe; Carbone, Vincenzo; Tassi, Enrico; Glasman, Claudia; Terron, Juan
The study of the production of prompt photons in association with hadronic jets provides a test of perturbative Quantum Chromodynamics and gives information on the proton parton distribution functions. The colorless prompt photon represents a clean probe of the hard partonic interaction since the photon is produced in the hard scattering and does not undergo hadronization. The measurement of the angular correlations between the photon and the hadronic jets is a test of perturbative Quantum Chromodynamics at large hard scattering scales and over a large range of proton momentum fraction. In this thesis, the dynamics of isolated-photon production in association with a jet in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV are studied with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider using a dataset with an integrated luminosity of 3.2 fb−1. Photons are required to have transverse energies above 125 GeV. Jets are identified using the anti-kt algorithm with radius parameter R = 0.4 and are required to have transverse momenta above 100 GeV. Measurements of isolated-photon plus jet cross sections are presented as functions of the leading-photon transverse energy, the leading-jet transverse momentum, the azimuthal angular separation between the photon and the jet, the photon-jet invariant mass and the scattering angle in the photon-jet centre-of-mass system. Tree-level plus parton-shower predictions from Sherpa and Pythia as well as next-to-leading-order QCD predictions from Jetphox and Sherpa are compared to the measurements.
Measurement of single and double differential cross-section of top-quark pair production using data collected by the ATLAS detector in pp collisions at ps = 13TeV
(2019-07-31) La Ruffa, Francesco; Carbone, Vincenzo; Tassi, Enrico
In this thesis, measurements of the differential cross-section for top-quark pair production in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of ps = 13 TeV are presented. The measurements are performed using data collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at CERN during 2015 and 2016, corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb−1. The top-quark pair events are selected in the lepton (electron or muon) plus jets channel and the analysis employs two separate selections and top-quark reconstruction strategies according to the value of the transverse momentum of the top quark. The single and double differential distributions are measured as a function of several kinematic variables of the top quark and the t ¯t system in a fiducial phase-space and extrapolated to the full phase-space. Given the large t ¯t production cross-section at the LHC, the measured spectra provide stringent tests of perturbative QCD and are relevant for the tuning of Monte Carlo simulations of the top-quark modelling. For this reason, the differential cross-section distributions are compared to several theoretical Monte Carlo predictions and state-of-the-art fixed-order QCD predictions
Measurement of the top quark pair differential cross sections with the atlas detector at the LHC
(2012-12-03) Lavorini, Lavorini; Tassi, Enrico; Fiore, Roberto
Measurements of top quark pair production differential cross sections in √ the all-hadronic decay chennel in pp collisions AT s=13 TEV using the atlas detector
(2019-07-31) Scornajenghi, Matteo; Carbone, Vincenzo; Tassi, Enrico
In this thesis, the measurements of the differential cross sections of top quark pair production in proton - proton collisions at a center of mass energy of p s = 13 TeV are presented. Data are collected at the LHC by the ATLAS detector during the 2015 and 2016 data-taking periods, corresponding to an integrated luminosity of L = 36:1 fb􀀀1. The top quark pair events are selected in the fully hadronic decay channel, resolved regime. The measurements are presented for several kinematics spectra and for observables sensitive to Initial and Final State Radiation. The measured spectra are corrected for detector effects and are compared to several theoretical Monte Carlo simulations. The measured spectra provide stringent tests of perturbative QCD, gives a better understanding of the top quark pair production mechanism and can be used to tune the Monte Carlo simulations. In addition, the expected performance of the Inner Tracker and the High Granularity Timing Detector, which will be installed during the Phase II upgrade of the ATLAS detector, will be presented
Measurements of top quark pair production differential cross sections in √ the all-hadronic decay chennel in pp collisions AT s=13 TEV using the atlas detector
(2019-07-31) Scornajenghi, Matteo; Carbone, Vincenzo; Tassi, Enrico
In this thesis, the measurements of the differential cross sections of top quark pair production in proton - proton collisions at a center of mass energy of p s = 13 TeV are presented. Data are collected at the LHC by the ATLAS detector during the 2015 and 2016 data-taking periods, corresponding to an integrated luminosity of L = 36:1 fb􀀀1. The top quark pair events are selected in the fully hadronic decay channel, resolved regime. The measurements are presented for several kinematics spectra and for observables sensitive to Initial and Final State Radiation. The measured spectra are corrected for detector effects and are compared to several theoretical Monte Carlo simulations. The measured spectra provide stringent tests of perturbative QCD, gives a better understanding of the top quark pair production mechanism and can be used to tune the Monte Carlo simulations. In addition, the expected performance of the Inner Tracker and the High Granularity Timing Detector, which will be installed during the Phase II upgrade of the ATLAS detector, will be presented.
Measurements of top-quark pair differential cross-sections in the lepton+jets channel in pp collisions at ps = 8 TeV using the ATLAS detector
(2016-02-26) Scarfone, Valerio; Pantano, Pietro; Tassi, Enrico
I risultati presentati in questa tesi sono frutto del lavoro svolto in collaborazione con il Top working group di ATLAS [1], i quali sono stati descritti in un articolo pubblico di ATLAS [2], e sottomesso alla rivista internazionale di Fisica European Physics Journal volume C. Mi sono occupato della misura, con il rivelatore ATLAS, delle sezioni d’urto differenziali assolute e normalizzate, per la produzione di coppie top-antitop, nel canale semi-leptonico, in interazioni protone-protone all’energia del centro di massa di 8TeV al Large Hadron Collider (LHC) di Ginevra. La misura di queste sezioni d’urto differenziali `e di particolare importanza nell’ambito del programma di Fisica dell’esperimento ATLAS, sia da un punto di vista teorico poich`e consente di eseguire dei test particolarmente stringenti delle predizioni della QCD perturbativa, fino all’ordine ’next-to-nextto- leading’ (NNLO), sia da quello sperimentale poich`e consente di migliorare la determinazione della densit`a gluonica del protone. L’alta massa del quark top suggerisce delle possibili connessioni con il meccanismo di rottura della simmetria elettrodebole, inoltre il quark top decade prima di adronizzare fornendo un’opportunit`a unica di studiare le propriet`a di un quark “bare”, come ad esempio gli effetti di spin attraverso le correlazioni angolari dei suoi prodotti di decadimento. Nel contesto del Modello Standard il quark top decade quasi esclusivamente in un b−quark ed un bosone W. Dunque la segnatura sperimentale dello stato finale dipende dai modi di decadimento dei due bosoni W, in cui ciascuno, mediamente decade due volte su tre nel canale adronico ed una volta su tre leptonicamente. I possibili stati finali sono dunque tre: il canale dileptonico, caratterizzato da una bassa probabilit`a e da una segnatura sperimentale pulita, il canale semileptonico che risulta essere un buon compromesso tra una discreta probabilit`a ed un contributo di fondo non dominante rispetto al segnale, ed infine il canale completamente adronico che ha un’alta probabilit` a ma soffre di eventi multi-getti di QCD che rendono la sua segnatura sperimentale molto complessa. Le misure di sezioni d’urto differenziali associate alla produzione di coppie di quark topantitop vengono presentate come funzioni di osservabili cinematiche di singoli quark top e delle coppie top-antitop, scelte in modo tale da enfatizzare il processo di produzione delle coppie t¯t, sensibili agli effetti di emissione di radiazione di QCD associati agli stati iniziali e finali del processo studiato, sensibili a processi non-risonanti e a termini correttivi a pi`u alto ordine dello sviluppo perturbativo. I dati analizzati sono relativi all’intero campione di dati collezionato nel 2012 con il rivelatore ATLAS presso i laboratori CERN di Ginevra, corrispondenti ad una luminosit`a integrata di 20.3 fb−1. Gli eventi sono selezionati nel canale semileptonico, richiedendo nello stato finale la presenza di un leptone carico con alto impulso trasverso, un neutrino ed almeno quattro getti adronici di cui due di tipo b. Gli effetti distorsivi che il rivelatore induce sulla misura, causati dalla limitata risoluzione ed accettanza di ATLAS, sono stati corretti, usando la procedura di unfolding con approccio iterativo bayesiano, al fine di confrontare le misure con diverse simulazioni MonteCarlo. Le sezioni d’urto differenziali sono state misurate sia al livello di particelle stabili (cosidetto particle level ) relativamente ad una regione fiduciale dello spazio delle fasi, che risulta pi`u limitato rispetto al totale spazio delle fasi accessibile al rivelatore caratterizzato da contributi contenuti all’incertezza sistematica, sia al livello partonico (cosiddetto parton level ) estrapolato all’intero spazio delle fasi, che risulta pi`u ampio ed `e esteso anche a regioni non accessibili al rivelatore caratterizzato da contributi di incertezza sistematica pi`u significativi. In generale i risultati sono in ragionevole accordo con le predizioni su un’ampia regione cinematica, tuttavia la maggior parte dei generatori MonteCarlo predicono i quark top pi`u duri (ovvero con pi`u alti valori in impulso trasverso) rispetto a quanto effettivamente si evince dalle misure. La regione centrale del rivelatore (cio`e per bassi valori della variabile rapidit`a) viene descritta abbastanza bene dalle predizioni, invece relativamente alle regioni in avanti e all’indietro la descrizione non `e ottimale. Questa difficolt`a `e stata investigata attraverso la dipendenza delle predizioni dai pi`u recenti set di funzioni di distrubuzione partonica nel protone (PDFs), evidenziando un notevole miglioramento nella descrizione dei dati rispetto invece a set di PDFs pi`u datati. A livello partonico i risultati sono stati confrontati con le pi`u recenti predizioni differenziali della QCD perturbativa, sino all’ordine next-to-next-to-leading, risolvendo il disaccordo osservato invece con le predizioni al NLO, sopratutto nelle code delle distribuzioni, dando indicazione del fatto che il disaccordo fosse dovuto alla mancanza di termini correttivi a pi`u alto ordine dello sviluppo perturbativo nelle predizioni usate. Si evidenzia in particolare come quest’analisi sia la prima a mostrare un confronto tra le sezioni d’urto differenziali misurate per la produzione di quark top-antitop con le recentissime predizioni differenziali teoriche al NNLO.