Maurizio Tomasi

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Ricercatore TD (Lettera B)

Email:maurizio,tomasi;at;unimi,it

Interessi scientifici

  • Membro del Core Team di Planck, con le seguenti responsabilità all'interno del consorzio LFI:
  • Responsabile dello sviluppo della pipeline di analisi dati e simulazione dello strumento LSPE/Strip;
  • Co-autore del proposal della missione CORE++, sottoposta all'ESA nell'Autunno 2016, per una missione spaziale dedicata alla misura della polarizzazione del fondo cosmico.

Didattica

Tesi di laurea/dottorato

 Proposte di tesi di laurea

Studio dell'equazione di Friedmann

Le equazioni di Friedmann, corretta con il parametro Λ, descrive l'espansione di un universo omogeneo ed isotropo usando l'equazione della relatività generale. Essa prevede che lo spazio subisca un'espansione, descritta dal parametro di scala a(t). L'andamento di questo parametro è calcolabile facilmente integrando numericamente le equazioni di Friedmann, e sono numerosi i codici liberamente disponibili per fare questi calcoli.

Lo scopo di questa tesi magistrale è di usare questi strumenti numerici per calcolare il comportamento di universi significativamente diversi dall'attuale, in cui ad esempio lo spazio si trovi in una fase di contrazione (possibilità permessa teoricamente dalle equazioni). L'attività dovrebbe concentrarsi nello studio di come varia l'andamento temporale dei classici orizzonti cosmologici (orizzonte degli eventi, orizzonte delle particelle, cono di luce, sfera di Hubble), estendendo l'analisi fatta da Davis & Lineweaver (2004) che si concentrava solo su un modello realistico di universo.

L'utilità di questo lavoro di tesi consiste nel fatto che è diffusa ancora oggi tra i fisici una certa incomprensione del significato degli orizzonti temporali usati in cosmologia, come già evidenzia l'articolo di Davis e Lineweaver citato sopra. Lo studio di casi svariati permetterebbe di comprendere meglio il significato di ciascuno di questi.

È richiesta una buona competenza informatica, in un linguaggio numerico a scelta (C/C++, Fortran, Python, Julia…). Non è invece richiesta la conoscenza della teoria della relatività generale.

Rappresentazione del segnale celeste polarizzato usando algorithmi LIC

La rappresentazione grafica di un campo vettoriale, come quello della polarizzazione della radiazione elettromagnetica, non è di semplice soluzione, e svariati metodi sono stati proposti. In particolare, nello studio della polarizzazione del segnale galattico e della CMB (Cosmic Microwave Background) il metodo più usato è la rappresentazione delle due mappe delle quantità scalari Q ed U (parametri di Stokes), che ha però lo svantaggio di non essere visivamente intuitiva.

Nella seconda data release del progetto Planck è stato usato con efficacia l'algoritmo LIC (Line Integral Convolution) per realizzare immagini che mostrino l'orientamento e l'intensità del campo magnetico misurato da Planck in modo intuitivo, come mostra l'immagine seguente:

planck cmb ilc2

Queste immagini sono state realizzate trasformando i dati proiettati sulla sfera celeste in un'immagine planare, e poi eseguendo un codice ILC separato. L'idea della tesi è di sviluppare un codice nativo, possibilmente in C/C++/Fortran/Python, che applichi l'algoritmo ILC direttamente su un campo vettoriale sulla sfera, supposto espresso usando lo schema di tessellazione Healpix.

La tesi richiede buone competenze di informatica e una buona comprensione delle proprietà geometriche della sfera. Può essere svolta sia da studenti triennali che magistrali; nel secondo caso, si può pensare di implementare anche funzionalità più complesse, come la possibilità di animare le linee di flusso della sfera allo scopo di rendere più evidenti le regolarità nascoste del campo vettoriale in esame.

Uso di tecniche di Machine Learning per il filtraggio di dati acquisiti da Planck/HFI

Le future missioni spaziali per la misura della CMB avranno lo scopo di misurare gli ipotetici “modi B”, prodotti dalle onde gravitazionali esistenti nell'Universo primordiale. A causa della debolezza del segnale, i requisiti di sensibilità per queste missione sono elevatissimi: è infatti necessario rilevare polarizzazioni residue di una parte su dieci milioni. Questo richiede l'implementazione di grandi schiere di detector, dell'ordine di diverse migliaia.

Un problema riscontrato con i bolometri della missione spaziale Planck (operante negli anni 2009−2013) è la presenza di frequenti disturbi dovuti ad interazioni dei raggi cosmici con i delicatissimi strumenti a bordo della sonda. La frequenza con cui si sono presentati questi disturbi è stata molto maggiore del previsto: il 90% dei dati erano affetti da questi disturbi, richiedendo lo sviluppo di complicate procedure di analisi dati, descritte nell'articolo “Planck 2013 results. X. HFI energetic particle effects: characterization, removal, and simulation”.

In questo lavoro di tesi si vuole studiare l'applicazione delle reti neurali convoluzionali (Convolutional Neural Networks, CNN) all'individuazione di questi disturbi. Le CNN sono molto usate oggi in applicazioni di deep learning, particolarmente nell'analisi di grandi moli di dati: Google, Facebook, Microsoft e Twitter sono tra le aziende che hanno investito maggiormente nello sviluppo di nuove tecniche.

Il lavoro è adatto sia per una tesi triennale che magistrale: in quest'ultimo caso, è possibile pensare ad una generalizzazione del metodo ad altri ambiti diversi dai raggi cosmici. È possibile che il risultato del lavoro sia sufficientemente interessante da portare alla pubblicazione di un articolo su rivista.