Muon Portal Project

208 Pages·2014·17.72 MB·English

by  Marilena Bandieramonte

UNIVERSITY OF CATANIA
Dept. of Physics and Astronomy
PhDinPhysics
PhD Thesis
MarilenaBandieramonte
Muon Portal
project: Tracks
reconstruction, automated object
recognition and visualization
techniques for muon tomography
data analysis
Supervisors
Prof.FrancescoRiggi
UniversityofCatania
Ing.UgoBecciani
CataniaAstrophysicalObservatory-INAF
A.A.2013-2014

Mostraiilmiocapolavoroallepersonegrandi,domandandoseildisegnolispaventava.
Mamirisposero:”Spaventare?Perchémai,unodovrebbeesserespaventatodaun
cappello?”Ilmiodisegnononeraildisegnodiuncappello.Eraildisegnodiunboache
digerivaunelefante.Affinchévedesserochiaramentechecos’era,disegnail‘internodelboa.
Bisognasemprespiegarglielelecose,aigrandi.
AntoineDeSaint-Exupéry,”IlPiccoloPrincipe”

"Obrothers,Isaid,whothroughahundredthousand
dangershavereachedthewest,
tothissobriefvigil
ofoursensesthatremainstous,
choosenottodenyexperience,
followingthesun,oftheworldthathasnopeople.
Consideryourorigin:
youwerenotborntolivelikebrutes,
buttopursuevirtueandknowledge."
DanteAlighieri,”TheDivineComedy”
"Ofrati,dissi,chepercentomilia
periglisietegiuntiall’Occidente,
aquestatantopicciolavigilia
de’nostrisensieh’ delrimanente
nonvogliatenegarl’esperienza,
Diretroalsol,delmondosenzagente.
Consideratelavostrasemenza:
fattinonfosteavivercomebruti,
maperseguirvirtuteecanoscenza."
DanteAlighieri,”LaDivinaCommedia”

iii
Abstract
ThepresentPh.D.thesisiscontextualizedwithintheMuonPortalproject,aproject
dedicatedtothecreationofatomographforthecontrolandscanningofcontainers
attheborderinordertorevealsmuggledfissilematerialbymeansofthecosmic
muonsscattering.Thisworkaimstoextendandconsolidatetheresearchinthe
fieldofmuontomographyinthecontextofappliedphysics.Themainpurposeof
thethesisistoinvestigatenewtechniquesforreconstructionofmuontrackswithin
thedetectorandnewapproachestotheanalysisofdatafrommuontomography
fortheautomaticobjectsrecognitionandthe3Dvisualization,thusmakingpossi-
bletherealizationofatomographyoftheentirecontainer.Theresearchworkwas
dividedintodifferentphases,describedinthisthesisdocument:fromaprelimi-
naryspeculativestudyofthestateoftheartonthetrackingissueandonthetracks
reconstructionalgorithms,tothestudyontheMuonPortaldetectorperformance
inthecaseofparticletrackingatlowandhighmultiplicity.Asubstantialpartof
theworkwasdevotedtothestudyofdifferentimagereconstructiontechniques
basedonthePOCAalgorithm(PointofClosestApproach)andtheiterativeEM-LM
algorithm (Expectation-Maximization). In addition, more advanced methods for
thetracksreconstructionandvisualization,suchasdata-miningtechniquesand
clusteringalgorithmshavebeenthesubjectoftheresearchanddevelopmentac-
tivitywhichhasculminatedinthedevelopmentofanunsupervisedmultiphase
clusteringalgorithm(modified-Friends-of-Friends)forthemuontomographydata
analysis.
MuonPortal
Keywords: project,muontomography,particletrackingatlowandhigh
multiplicity,tracksreconstructionalgorithms,3Dvisualizationalgorithms,multivariate
data-miningtechniques,clusteringalgorithms,ROOTandGEANT4simulations.

v
Abstract
Lapresentetesididottoratosiinquadraall’internodelprogettoMuonPortal,un
progetto dedicato alla realizzazione di un tomografo per il controllo e la scan-
sionedicontainerallefrontiere,allaricercadimaterialefissiledicontrabbando
attraverso lo scattering dei muoni cosmici. Questo lavoro mira ad estendere e
consolidare la ricerca nel campo della tomografia muonica nel contesto della
fisicaapplicata.Loscopoprincipalediquestatesièdiinvestigarenuovetecniche
di ricostruzione di tracce dei muoni all’interno del rivelatore e nuovi approcci
all’analisi di dati da tomografia muonica per il riconoscimento automatico di
oggettielavisualizzazione3D,rendendopossibilelarealizzazionediunatomo-
grafiadell’interocontainer.Illavorodiricercaèstatoarticolatoinpiùfasi,descritte
nelpresentedocumentoditesi:daunpreliminareapprofondimentospeculativo
dello stato dell’arte relativo alle problematiche del tracking e agli algoritmi di
ricostruzionedelletracce,allostudiosulleperformancedelMuonPortaldetector
nelcasoditracciamentodiparticelleinambientiabassaealtamolteplicità.Una
partesostanzialedellavoroèstatadedicataallostudiodidiversetecnichediri-
costruzionedelleimmagini,basatesull’algoritmoPOCA(PointofClosestApproach)
esull’algoritmoiterativoEM-LM(Expectation-Maximization).Inoltre,metodipiù
avanzatiperlaricostruzioneelavisualizzazioneditracce,qualitecnichedidata-
miningealgoritmidiclusteringsonostatioggettodell’attivitàdiricercaesviluppo
cheèculminatanellosviluppodiunalgoritmodiclusteringnonsupervisionato
multifase(modified-Friends-of-Friends)perl’analisididatidatomografiamuonica.
Muon Portal
Keyword: Progetto , tomografia muonica, tracciamento di particelle a
bassaealtamolteplicità,algoritmidiricostruzionetracce,algoritmidivisualizzazione3D,
tecnichedianalisidatimultivariataedata-mining,algoritmidiclustering,simulazioni
conROOTeGEANT4.