Davide Fiorina

Fisico sperimentale delle particelle e astroparticelle

Al Gran Sasso Science Institute, all’Aquila, costruisco e studio rivelatori che fotografano le tracce delle particelle. Li sviluppo per cercare la materia oscura e studiare la polarizzazione dei raggi X. Nell’esperimento CYGNO coordino il lavoro tecnico, dall’assemblaggio alla messa in funzione.

Fuori dal laboratorio mi dedico al trail running, alle camminate in montagna e a progetti di intelligenza artificiale sui miei computer.

Davide Fiorina all’aperto al crepuscolo, con le colline alle spalle

Fotografare le tracce delle particelle

Quando una particella attraversa un gas, può liberare elettroni lungo il suo percorso. Li guidiamo con un campo elettrico, amplifichiamo il segnale e fotografiamo la luce prodotta. È così che funziona una camera a proiezione temporale (TPC) a lettura ottica: dalle immagini ricostruiamo le tracce lasciate dalle particelle.

CYGNO04: da dove arriva la materia oscura

CYGNO04 è un dimostratore da 400 L in costruzione ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). Servirà a portare questa tecnica di lettura ottica in un rivelatore più grande, da usare sottoterra per cercare eventi rari.

Un tecnico assembla il contenitore in rame di CYGNO in officina
Il contenitore in rame durante l’assemblaggio.
Davide con indumenti da camera pulita accanto alla camera a proiezione temporale CYGNO04
Con la TPC di CYGNO04 in camera pulita.
Perché il vento sembra provenire dal Cigno · 40 secondi
Il moto del Sole nell’alone galattico e il «vento» di materia oscura che ne risulta dal nostro punto di vista.

Il disco visibile della Galassia è circondato da un alone di materia oscura, attraverso il quale si muove il Sole. Nel sistema di riferimento del Sistema solare, questo movimento si traduce in un apparente vento di particelle in arrivo. La linea di vista verso il Cigno punta verso l’esterno, mentre le particelle vengono verso l’osservatore. È questa direzione preferenziale che vogliamo cercare misurando i rinculi dei nuclei. L’animazione usa un modello illustrativo dell’alone.

Di Davide Fiorina · Animazione e codice sorgente · CC BY 4.0

Se una particella di materia oscura colpisce un nucleo atomico nel gas, il nucleo potrebbe muoversi e lasciare una piccola traccia. Misurando la direzione di molte tracce, potremmo distinguere un segnale di materia oscura dalla radiazione ordinaria. Nell’animazione si vede come il movimento del Sistema solare nell’alone galattico faccia apparire un «vento» di particelle in arrivo.

Costruire e raccontare l’esperimento

Sono il coordinatore tecnico e il responsabile di progetto di CYGNO. Seguo con il gruppo l’assemblaggio del rivelatore, gli impianti del gas e dell’alta tensione, i sistemi di lettura e i servizi di laboratorio, dagli acquisti alla messa in funzione.

Ho realizzato e gestisco il sito di CYGNO e curo @cygno.exp su Instagram, dove raccontiamo l’esperimento e il lavoro che c’è dietro.

Davide in camera pulita, intento a lavorare su un componente del rivelatore
Al lavoro su un componente del rivelatore, in camera pulita.

Il lavoro di tutti i giorni

In laboratorio assemblo rivelatori, controllo gli impianti del gas e preparo i prototipi per le misure. Mi occupo anche di coordinare il lavoro con colleghi, fornitori e servizi tecnici, perché ogni fase dell’esperimento abbia ciò che serve.

Raggi X: la polarizzazione nelle tracce degli elettroni

La polarizzazione descrive come è orientata l’oscillazione del campo elettrico di un raggio X. Misurarla ci aiuta a capire quali processi hanno prodotto quella radiazione.

Dalle tracce degli elettroni alla polarizzazione · 12 secondi
Mettendo insieme le direzioni di molte tracce simulate si può risalire alla polarizzazione.

Nel volume di gas compaiono, una alla volta, le tracce simulate dei fotoelettroni. Ricostruiamo le loro direzioni iniziali e le raccogliamo in una distribuzione angolare. Aggiungendo tracce emerge un orientamento preferenziale. La fase della modulazione ci dà informazioni sull’angolo di polarizzazione; l’ampiezza dipende sia dal grado di polarizzazione sia dalla risposta del rivelatore. È una simulazione illustrativa, basata su un modello dichiarato della risposta del rivelatore: i numeri mostrati non sono prestazioni misurate della TPC ottica.

Di Davide Fiorina · Animazione e codice sorgente · CC BY 4.0

Schema di un polarimetro a gas con un raggio X assorbito, un fotoelettrone emesso e la proiezione della sua traccia su un piano di lettura
Come un raggio X assorbito nel gas produce la traccia di un elettrone.

Quando un raggio X viene assorbito nel gas, può liberare un elettrone. La direzione in cui questo parte contiene informazioni sulla polarizzazione. Il mio lavoro è ricostruire dalle fotografie queste tracce, piccole e spesso curve. Come mostra l’animazione, l’informazione emerge mettendo insieme molte tracce: per interpretarla bisogna conoscere anche la risposta del rivelatore.

Nel progetto HypeX (High Yield Polarimetry Experiment in X-rays), sviluppo e metto alla prova TPC ottiche per misurare la polarizzazione dei raggi X duri, con l’obiettivo di estendere la sensibilità all’intervallo 10–60 keV.

Leggi il preprint sulla polarimetria
Piccolo prototipo cilindrico di TPC ottica con anelli per la formazione del campo elettrico, montato su una base da laboratorio
Un prototipo di TPC ottica per la polarimetria.
Un ricercatore lavora sull’apparato di polarimetria, con cavi di lettura e linee del gas su un banco ottico
Linee del gas e cavi di lettura sul banco di prova per la polarimetria.

Dal prototipo alle misure

Provo i prototipi di TPC ottiche con i raggi X e confronto le immagini raccolte con le simulazioni dell’apparato.

Nuovi progetti: neutrini e spazio

Rivelatori per neutrini allo studio

Per la proposta CYGNUS a Super-Kamiokande coordino lo studio della lettura ottica di un rivelatore direzionale per neutrini di bassa energia e neutrini emessi dalle supernove. Mi occupo anche di diffusione elastica coerente neutrino–nucleo (CEνNS): un’interazione in cui un neutrino trasferisce quantità di moto a un nucleo.

Illustrazione concettuale di una TPC ottica modulare all’interno del serbatoio d’acqua di Super-Kamiokande
Il rivelatore proposto per CYGNUS-K. Ingrandisci.
Vista in sezione di una proposta di TPC ottica ad alta pressione, con volume di deriva cilindrico, finestre ottiche e un gruppo di lettura compatto
Il concetto di TPC ad alta pressione per CEνNS. Ingrandisci.

EXPO: studiare il fondo in orbita

Per la proposta di missione EXPO coordino le simulazioni dei segnali di fondo: quelli prodotti dalla radiazione presente attorno al satellite, anziché dalle sorgenti che vogliamo osservare. Capire come si comporterà questo fondo in orbita ci aiuta a progettare lo strumento.

Disegno tecnico in sezione dello strumento proposto per EXPO
Lo strumento polarimetrico proposto per EXPO.
Due viste del progetto del veicolo spaziale, con indicazioni del tubo del telescopio e dei pannelli solari
Lo strumento a bordo del satellite proposto.
I progetti precedenti: PICOSEC e CMS GEM

PICOSEC: misurare il tempo di arrivo

Misurare con precisione quando arriva una particella aiuta a distinguere i segnali utili dal fondo. Ho coordinato la ricerca e lo sviluppo di PICOSEC Micromegas per applicazioni ai collisori di muoni. Mi sono occupato di prototipi, fotocatodi, radiatori e prove con fasci di particelle, oltre che delle simulazioni del fondo prodotto dai fasci.

Il gruppo di PICOSEC accanto all’apparato per le prove su fascio nella sala sperimentale
Con il gruppo durante una prova su fascio di PICOSEC.

CMS GEM: dal controllo di qualità alle operazioni

Al CERN ho lavorato ai rivelatori GEM (moltiplicatori di elettroni a gas) per l’aggiornamento del sistema per muoni di CMS, il Compact Muon Solenoid. Li ho seguiti dal controllo di qualità alla messa in servizio, fino alle operazioni del Run 3. Mi occupavo degli impianti del gas e studiavo l’invecchiamento dei rivelatori, le scariche elettriche e il loro comportamento nei campi magnetici.

Davide al lavoro accanto a una camera GEM nella struttura per le prove di irraggiamento
Al lavoro su una camera GEM presso la Gamma Irradiation Facility (GIF), la struttura per l’irraggiamento con raggi gamma.
Camere GEM, linee del gas e cavi di lettura installati nell’area delle prove di irraggiamento
L’apparato per le prove di irraggiamento.

Pubblicazioni selezionate

Altre pubblicazioni sono raccolte nei miei profili Scopus e ORCID.

  1. 2025

    A Large-Area Optical Time Projection Chamber for Hard X-ray Polarimetry with Directional Imaging of Low-Energy Electron Recoils

    Preprint arXiv

    Ho sviluppato l’analisi e le simulazioni per ricostruire la direzione degli elettroni e interpretare le misure con raggi X polarizzati.

  2. 2026

    Modeling the light response of an optically readout GEM based TPC for the CYGNO experiment

    The European Physical Journal C

    Ho contribuito a descrivere con un modello la risposta non lineare della luce nei rivelatori GEM a lettura ottica, mettendo in relazione le misure di CYGNO con le simulazioni.

  3. 2025
  4. 2025

    Single channel PICOSEC Micromegas detector with improved time resolution

    Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A

Altri articoli 12
  1. 2025
  2. 2024
  3. 2024
  4. 2024
  5. 2024
  6. 2023
  7. 2023

    Towards a muon collider

    The European Physical Journal C

  8. 2022

    Quality control of mass-produced GEM detectors for the CMS GE1/1 muon upgrade

    Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A

  9. 2021
  10. 2020
  11. 2020
  12. 2020

    Performance of prototype GE1/1 chambers for the CMS muon spectrometer upgrade

    Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A

Interventi e presentazioni

Qui raccolgo i miei interventi a conferenze e su invito, dedicati allo sviluppo di rivelatori e alla ricerca di eventi rari.

  1. 2026 Su invito
  2. 2026

    The CYGNO experiment.

    9th CYGNUS Workshop on Directional Recoil Detection, Kobe, Giappone

    Su invito
  3. 2025 Plenaria
Altri interventi 23
  1. 2026 Plenaria
  2. 2026 Intervento breve
  3. 2025

    CYGNO04 Status, Assembly Procedure and Timeline.

    CYGNO Collaboration Meeting, Clusone, Italia

    Su invito
  4. 2025

    Polarimetry R&D status.

    CYGNO Collaboration Meeting, Clusone, Italia

    Su invito
  5. 2025

    The CYGNO experiment, a gaseous TPC for directional Dark Matter searches.

    TAUP 2025, Xichang, Cina

    Parallela
  6. 2025

    The CYGNO experiment, a gaseous TPC for directional Dark Matter searches.

    EPS-HEP 2025, Marsiglia, Francia

    Parallela
  7. 2025

    A Large-Volume, Extended Field-of-View TPC for X-ray Polarimetry.

    IFD 2025, Sestri Levante, Italia

    Plenaria
  8. 2025

    Photoelectric polarimeters R&D.

    FiXP Academy, L'Aquila, Italia

    Su invito
  9. 2025

    Triple-GEM TPC for X-ray polarimetry.

    4th DRD1 Collaboration Meeting, CERN, Svizzera

    Parallela
  10. 2024

    The CYGNO experiment, a gaseous TPC for directional Dark Matter searches.

    MPGD 2024, Hefei, Cina

    Plenaria
  11. 2024

    Development and Preliminary Results of a Large-Volume Time Projection Chamber for X-ray Polarimetry.

    MPGD 2024, Hefei, Cina

    Plenaria
  12. 2024

    HypeX: High Yield Polarimetry Experiment in X-rays.

    SPIE AS24, Yokohama, Giappone

    Parallela
  13. 2023

    PICOSEC Micromegas detector for precise muon timing in the Muon Collider detector.

    FAST 2023, Isola d’Elba, Italia

    Plenaria
  14. 2023

    Status and plans for the study of X-ray polarimetry.

    CYGNO Collaboration Meeting, Laboratori Nazionali di Frascati, Italia

    Su invito
  15. 2023

    Study of the pedestal stability.

    CYGNO Collaboration Meeting, Laboratori Nazionali di Frascati, Italia

    Su invito
  16. 2023

    PICOSEC for the Muon Collider detector.

    RD51 Mini-Week, CERN, Svizzera

    Plenaria
  17. 2022

    PICOSEC Micromegas: a fast-timing gaseous detector for MIPs.

    IFD 2022, Bari, Italia

    Plenaria
  18. 2022

    Rate capability and high-rate GEM foil optimization for the CMS ME0 detector.

    RD51 Collaboration Meeting, CERN, Svizzera

    Plenaria
  19. 2021

    Status and commissioning of the new GE1/1 station for the CMS experiment.

    EPS-HEP 2021, DESY, Germania

    Parallela
  20. 2021

    The gas monitoring system for safe operation of the CMS triple-GEM detectors.

    SIF 2021, Milano, Italia

    Parallela
  21. 2020

    ME0 project for the Triple-GEM upgrade of the CMS muon spectrometer: design, preliminary performance and R&D perspective.

    SIF 2020, Milano, Italia

    Parallela
  22. 2019

    Aging studies on Triple-GEM detectors for future upgrades of the CMS endcap muon spectrometer at the HL-LHC.

    IPRD 2019, Siena, Italia

    Plenaria
  23. 2018

    Advanced aging study on Triple-GEM for GE2/1 and ME0.

    SIF 2018, Rende, Italia

    Parallela
Poster 12
  1. 2026

    Wide-Field Hard X-ray Polarimetry with a Large-Volume TPC.

    9th CYGNUS Workshop on Directional Recoil Detection, Kobe, Giappone

    Poster
  2. 2022

    ME0 second-generation prototype chamber characterization for CMS Phase-II upgrade in the muon forward region.

    LHCP 2022, Taiwan

    Poster
  3. 2021

    The GEM Gas Monitoring System: using a gaseous detector as a gas detector for CMS triple-GEM safe operation.

    ICALEPCS 2021, Shanghai, Cina

    Poster
  4. 2021

    The GEM Gas Monitoring System: using a gaseous detector as a gas detector for CMS triple-GEM safe operation.

    IWoRiD 2021, Gand, Belgio

    Poster
  5. 2021

    High-rate capability studies of triple-GEM detectors for the ME0 upgrade of the CMS Muon Spectrometer.

    IWoRiD 2021, Gand, Belgio

    Poster
  6. 2020

    Novel triple-GEM mechanical design for the CMS ME0 detector: preliminary performance and R&D results.

    IEEE NSS/MIC 2020, Boston, Stati Uniti

    Poster
  7. 2020

    Novel triple-GEM mechanical design for the CMS ME0 detector and preliminary performance.

    INSTR 2020, Novosibirsk, Russia

    Poster
  8. 2020

    Comparative aging studies on a Single Wire Proportional Chamber.

    INSTR 2020, Novosibirsk, Russia

    Poster
  9. 2020

    Novel triple-GEM mechanical design for the CMS ME0 detector and preliminary performance.

    Winter LHCC Meeting, CERN, Svizzera

    Poster
  10. 2019

    Advanced aging study on Triple-GEM.

    MPGD 2019, La Rochelle, Francia

    Poster
  11. 2019

    Advanced aging study on Triple-GEM.

    Winter LHCC Meeting, CERN, Svizzera

    Poster
  12. 2018

    Study of long-term performance of triple-GEM detectors for the upgrade of the CMS muon high-rate region at the HL-LHC.

    IEEE NSS/MIC 2018, Sydney, Australia

    Poster

Didattica e divulgazione

Insegno in laboratorio, seguo gli studenti nei loro progetti e racconto la ricerca anche a chi non fa questo mestiere.

Una sessione di laboratorio di una scuola sui rivelatori, con i partecipanti che esaminano uno strumento al banco
Una misura al banco durante una scuola sui rivelatori.

Imparare in laboratorio

Al GSSI tengo lezioni sulle misure di radiazione a bassa energia. Sono inoltre tutor nelle scuole del CERN sui rivelatori a gas (DRD1 e, in precedenza, RD51) e nella Gran Sasso Hands-on PhD Summer School.

Al banco gli studenti possono cambiare una tensione e vedere subito come cambia il segnale. Li aiuto a capire il legame tra quello che misurano e la fisica del rivelatore.

Studenti e progetti

Seguo studenti di laurea triennale, magistrale e dottorato nei loro progetti, da solo o insieme ad altri supervisori. Mi occupo anche di tirocini e di progetti del programma CERN Summer Student.

Scuole, incontri e revisione di articoli

Aiuto a organizzare scuole sui rivelatori e incontri di collaborazione. Sono anche revisore per il Journal of Instrumentation (JINST) e per EPJ Techniques and Instrumentation.

Raccontare la ricerca

Faccio da guida ai visitatori del Gran Sasso, tengo incontri aperti al pubblico e partecipo alla Notte europea dei ricercatori. Per CYGNO coordino la divulgazione e le attività sui social. In passato ho fatto da guida anche a CMS.

Un piccolo gruppo di studenti e ricercatori nel laboratorio della scuola del Gran Sasso
Studenti e ricercatori alla scuola del Gran Sasso.
Il pubblico del seminario di Davide sulla materia oscura a Clusone
Un incontro sulla materia oscura a Clusone, dicembre 2025.

Chi sono

Ho studiato fisica a Pavia e lì ho conseguito il dottorato nel 2022. Con i rivelatori GEM di CMS sono arrivato al CERN; dal 2023 sono al GSSI, all’Aquila.

Oggi lavoro come ricercatore postdoc, tra CYGNO e la polarimetria a raggi X.

La fisica in televisione

Ho collaborato con Pumais Due come consulente per i contenuti di fisica nel doppiaggio di serie televisive.

Fuori dal laboratorio

Nel tempo libero corro sui sentieri e cammino in montagna.

Mi piacciono i treni.

Mi piace sviluppare agenti di intelligenza artificiale da far girare sui miei computer.

Contatti

Puoi scrivermi per parlare di rivelatori, progetti per studenti o seminari.

davide.fiorina@gssi.it

L’Aquila, Italia · Gran Sasso Science Institute